सटीक स्वचालित स्थिति निर्धारण के लिए, स्टेपर-मोटर-आधारित रैखिक एक्चुएटर्स के बारे में सोचें।

लीनियर एक्चुएटर्स मूल रूप से सीधी रेखा में बल और गति उत्पन्न करते हैं। एक सामान्य यांत्रिक प्रणाली में, किसी उपकरण का आउटपुट शाफ्ट रोटरी मोटर, गियर, बेल्ट और पुली, या अन्य यांत्रिक घटकों का उपयोग करके रैखिक गति प्रदान करता है। समस्या यह है कि इन घटकों को आपस में जोड़ना और संरेखित करना आवश्यक होता है। इससे भी बुरी बात यह है कि ये सिस्टम में घर्षण और बैकलैश जैसे घिसाव कारक जोड़ते हैं। सटीक स्थिति निर्धारण के लिए, स्टेपर-मोटर आधारित लीनियर एक्चुएटर्स एक अधिक प्रभावी और सरल विकल्प हैं।

ये उपकरण सटीक रेखीय स्थिति निर्धारण की आवश्यकता वाली मशीन या तंत्र के डिज़ाइन को सरल बनाते हैं क्योंकि ये मोटर के अंदर ही घूर्णी से रेखीय रूपांतरण प्रदान करते हैं। प्रत्येक विद्युत इनपुट पल्स के लिए एक्चुएटर एक निश्चित मात्रा में घूर्णी गति करते हैं। यह तथाकथित "स्टेपिंग" विशेषता और एक सटीक लीडस्क्रू का उपयोग सटीक और दोहराने योग्य स्थिति निर्धारण प्रदान करता है।

स्टेपर-मोटर की मूल बातें
एक्ट्यूएटर्स की कार्यप्रणाली को समझने के लिए स्टेपर मोटर्स की मूल बातें जानना उपयोगी होता है। स्टेपर मोटर्स कई प्रकार की होती हैं, जिनमें वेरिएबल रिलक्टेंस (VR), परमानेंट मैग्नेट (PM) और हाइब्रिड शामिल हैं। यह चर्चा हाइब्रिड स्टेपर पर केंद्रित है, जो उच्च टॉर्क और सटीक पोजिशनिंग रेज़ोल्यूशन (1.8 या 0.9° स्टेप) प्रदान करता है। लीनियर एक्ट्यूएटर सिस्टम में, हाइब्रिड एक्ट्यूएटर्स का उपयोग कई उपकरणों में किया जाता है, जैसे कि...एक्सवाईटेबल, रक्त विश्लेषक, एचवीएसी उपकरण, छोटे गैन्ट्री रोबोट, वाल्व-नियंत्रण तंत्र और स्वचालित स्टेज-लाइटिंग सिस्टम।

हाइब्रिड स्टेपर मोटर के भीतर एक स्थायी चुंबक रोटर और एक स्टील स्टेटर होता है जिस पर एक कुंडल लिपटा होता है। कुंडल को सक्रिय करने से उत्तर और दक्षिण ध्रुवों वाला एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। स्टेटर चुंबकीय क्षेत्र का संचालन करता है, जिससे रोटर क्षेत्र के साथ संरेखित हो जाता है। कुंडल को क्रमिक रूप से सक्रिय और निष्क्रिय करने से चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन होता है, इसलिए प्रत्येक इनपुट पल्स या स्टेप के कारण रोटर हाइब्रिड मॉडल के आधार पर 0.9 या 1.8 डिग्री घूर्णी रूप से गति करता है। स्टेपर-मोटर लीनियर एक्चुएटर में, रोटर में लगा एक थ्रेडेड प्रेसिजन नट लीडस्क्रू (जो पारंपरिक शाफ्ट की जगह लेता है) के साथ जुड़ता है।

लीडस्क्रू, झुके हुए तल के सरल यांत्रिक सिद्धांत का उपयोग करके एक रेखीय बल प्रदान करता है। कल्पना कीजिए कि एक स्टील शाफ्ट है जिसके चारों ओर एक रैंप या झुका हुआ तल लिपटा हुआ है। यांत्रिक लाभ या बल प्रवर्धन रैंप के कोण द्वारा निर्धारित होता है, जो स्क्रू के व्यास, लीड (एक चक्कर में स्क्रू थ्रेड द्वारा तय की गई अक्षीय दूरी) और पिच (आसन्न थ्रेड फॉर्म के बीच मापी गई अक्षीय दूरी) का एक फलन है।

लीडस्क्रू थ्रेड्स, रैंप की ढलान (थ्रेड लीड) के आधार पर, एक छोटे घूर्णी बल को एक बड़ी भार वहन क्षमता में परिवर्तित करते हैं। कम लीड से अधिक बल प्राप्त होता है लेकिन रैखिक गति कम होती है। अधिक लीड से समान घूर्णी शक्ति स्रोत से कम बल प्राप्त होता है लेकिन रैखिक गति अधिक होती है। कुछ डिज़ाइनों में, रोटर में लगा पावर नट, बेयरिंग-ग्रेड कांस्य से बना होता है जो आंतरिक थ्रेड्स की मशीनिंग के लिए उपयुक्त होता है। लेकिन कांस्य, चिकनाई और भौतिक स्थिरता के बीच एक इंजीनियरिंग समझौता है। एक बेहतर सामग्री चिकनाई युक्त थर्मोप्लास्टिक है जिसका नट-स्क्रू थ्रेड इंटरफ़ेस पर घर्षण गुणांक बहुत कम होता है।

चरण अनुक्रम
स्टेपर मोटर को चलाने की योजनाओं में "एक चरण चालू" स्टेपिंग और "दो चरण चालू" स्टेपिंग शामिल हैं।

एक सरलीकृत दो-फेज मोटर के लिए "एक फेज चालू" अनुक्रम में, चरण 1 में स्टेटर का फेज A सक्रिय दिखाया गया है। विपरीत ध्रुवों के आकर्षण के कारण यह रोटर को चुंबकीय रूप से लॉक कर देता है। फेज A को बंद और B को चालू करने पर रोटर 90° दक्षिणावर्त घूमता है (चरण 2)। चरण 3 में, फेज B बंद और फेज A चालू होता है, लेकिन ध्रुवता चरण 1 से उलट होती है। इससे रोटर एक और 90° घूमता है। चरण 4 में, फेज A बंद और फेज B चालू होता है, ध्रुवता चरण 2 से उलट होती है। इस अनुक्रम को दोहराने से रोटर 90° के चरणों में दक्षिणावर्त घूमता है।

“दो फेज़ ऑन” अनुक्रम में, मोटर के दोनों फेज़ हमेशा सक्रिय रहते हैं, और केवल एक फेज़ की ध्रुवता बदलती है। इससे रोटर औसत उत्तरी और औसत दक्षिणी चुंबकीय ध्रुवों के बीच संरेखित हो जाता है। चूंकि दोनों फेज़ हमेशा सक्रिय रहते हैं, इसलिए यह विधि “एक फेज़ ऑन” स्टेपिंग की तुलना में 41.4% अधिक टॉर्क प्रदान करती है।

दुर्भाग्यवश, हालांकि प्लास्टिक थ्रेड्स के लिए तो ठीक रहता है, लेकिन हाइब्रिड स्टेपर डिज़ाइन में बेयरिंग जर्नल्स के लिए यह पर्याप्त रूप से स्थिर नहीं होता। इसका कारण यह है कि निरंतर पूर्ण भार की स्थिति में, प्लास्टिक जर्नल्स पीतल के जर्नल्स की तुलना में चार गुना अधिक फैल सकते हैं। यह फैलाव अस्वीकार्य है क्योंकि मोटर डिज़ाइन के अनुसार स्टेटर और रोटर के बीच वायु अंतराल केवल कुछ हज़ारवें इंच होना चाहिए। इस समस्या का एक समाधान यह है कि स्थायी चुंबक रोटर में डाली जाने वाली पीतल की स्लीव के अंदर प्लास्टिक थ्रेड्स को इंजेक्शन मोल्डिंग द्वारा तैयार किया जाए। यह तरीका मोटर का जीवनकाल बढ़ाता है और बेयरिंग जर्नल्स की स्थिरता बनाए रखते हुए घर्षण को कम करता है।

हेडन एक्चुएटर्स के विभिन्न प्रकारों में से, "कैप्टिव" उपकरणों में एक अंतर्निर्मित एंटीरोटेशन तंत्र होता है। यह कॉन्फ़िगरेशन 2.5 इंच तक का अधिकतम स्ट्रोक प्रदान करता है और सटीक द्रव वितरण, थ्रॉटल नियंत्रण और वाल्व मूवमेंट जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। अन्य प्रकार के एक्चुएटर्स...हेडनलीनियर एक्चुएटर्स "नॉनकैप्टिव" और "एक्सटर्नल लीनियर" प्रकार के होते हैं, जो उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होते हैं जिनमें लंबे स्ट्रोक की आवश्यकता होती है, जैसे कि छोटे गैन्ट्री रोबोट द्वारा रक्त नलिकाओं का स्थानांतरण।एक्सवाईगति प्रणाली और इमेजिंग प्रणाली।

एक्चुएटर का आकार निर्धारित करना
एक उदाहरण से एक्ट्यूएटर का आकार निर्धारित करने का सबसे अच्छा तरीका समझा जा सकता है। निम्नलिखित मापदंडों पर विचार करें:

भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक रेखीय बल = 15 पाउंड (67 N)
भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक रैखिक दूरी (मीटर में) = 3 इंच (0.0762 मीटर)
समय,tभार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक समय (सेकंड में) = 6 सेकंड
चक्रों की लक्षित संख्या = 1,000,000

स्टेपर-मोटर लीनियर एक्चुएटर का आकार निर्धारित करने के चार चरण हैं: 1) आवश्यक जीवनकाल को पूरा करने के लिए आवश्यक एक्चुएटर की प्रारंभिक बल रेटिंग निर्धारित करें; 2) मिलीमीटर/सेकंड में वेग निर्धारित करें; 3) उपयुक्त एक्चुएटर फ्रेम आकार चुनें; और 4) बल आवश्यकताओं के आधार पर उपयुक्त स्क्रू रिज़ॉल्यूशन निर्धारित करें।

जीवन की भविष्यवाणी करने का सबसे अच्छा तरीका एप्लिकेशन परीक्षण है, जिसकी अत्यधिक अनुशंसा की जाती है। एक तकनीक का उपयोग करते हुएप्रतिशत भार बनाम चक्रों की संख्यावक्र एक अच्छा प्रारंभिक अनुमान प्रदान करता है। स्टेपर मोटर्स में घिसने वाले ब्रश नहीं होते हैं, और वे सटीक, लंबे समय तक चलने वाले बॉल बेयरिंग का उपयोग करते हैं, इसलिए मुख्य घिसाव घटक पावर नट होता है। अतः, डिज़ाइन विनिर्देशों को पूरा करते हुए किसी उपकरण के चलने के चक्रों की संख्या भार पर निर्भर करती है।

संदर्भ लेंप्रतिशत भार बनाम चक्रों की संख्याएक्चुएटर के लिए सही साइजिंग फैक्टर निर्धारित करने के लिए चार्ट का उपयोग किया गया ताकि वह 1,000,000 चक्रों को सहन कर सके। यह फैक्टर 50% यानी 0.5 आता है। इसलिए, 1,000,000 चक्रों के बाद लोड को सहन करने के लिए आवश्यक प्रारंभिक रेटेड बल (N) 15 lb/0.5 = 30 lb या 133 N है।

अब वाट में आवश्यक रैखिक यांत्रिक शक्ति ज्ञात कीजिए:

P_{रेखीय}= (N × m)/t

हमारे उदाहरण में, यह (133 × 0.0762)/6 = 1.7 W हो जाता है।

इस डेटा के साथ, इसका उपयोग करेंएक्चुएटर फ्रेम का आकारसही फ्रेम आकार चुनने के लिए तालिका देखें। सभी स्टेपर-मोटर लीनियर एक्चुएटर्स को मोटर को पल्स भेजने के लिए ड्राइव की आवश्यकता होती है। ध्यान दें कि तालिका में एल/आर ड्राइव (स्थिर वोल्टेज) और चॉपर ड्राइव (स्थिर धारा) दोनों के लिए पावर दी गई है। जब तक एप्लिकेशन बैटरी से चलने वाला न हो (जैसे कि हैंडहेल्ड पोर्टेबल डिवाइस), निर्माता अधिकतम प्रदर्शन के लिए चॉपर ड्राइव की अत्यधिक अनुशंसा करते हैं। इस उदाहरण में, तालिका में चॉपर ड्राइव पावर स्पेसिफिकेशन्स की समीक्षा से पता चलता है कि हेडन 43000 सीरीज़ (साइज़ 17 हाइब्रिड) 1.7-W की आवश्यकता को सबसे सटीक रूप से पूरा करती है। यह चयन सिस्टम को ओवर-डिजाइन किए बिना लोड आवश्यकताओं को पूरा करता है।

इसके बाद, रेखीय वेग (ips) की गणना करें। यह निम्न प्रकार से दिया जाता है।एम/टीऔर यह 3 इंच/6 सेकंड = 0.5 आईपीएस के बराबर आता है। अनुकूलित फ्रेम आकार (आकार 17 हाइब्रिड) और रैखिक वेग (0.5 आईपीएस) के साथ, उपयुक्त का उपयोग करें।बल बनाम रेखीय वेगएक्ट्यूएटर लीडस्क्रू के उचित रिज़ॉल्यूशन को निर्धारित करने के लिए वक्र का उपयोग किया जाता है। इस मामले में, आवश्यक लीडस्क्रू रिज़ॉल्यूशन 0.00048 इंच है।

ध्यान रखें कि लीडस्क्रू मोटर में इनपुट स्टेप्स की संख्या के आधार पर आगे बढ़ता है। परफॉर्मेंस कर्व को "आईपी" और "स्टेप्स/सेकंड" दोनों में व्यक्त किया जाता है। अपने चयन को सत्यापित करने के लिए, आवश्यक स्टेप दर पर बल की जाँच करें।बल बनाम नाड़ी दरवक्र, जहाँ: चयनित संकल्प = 0.00048 इंच/चरण आवश्यक रैखिक वेग = 0.5 आईपीएस आवश्यक चरण दर = (0.5 आईपीएस) / (0.00048 इंच/चरण) = 1,041 चरण।

1,041 को X-अक्ष मान (नाड़ी दर) के रूप में प्लॉट करने और इस बिंदु से वक्र पर एक लंबवत रेखा खींचने पर Y-अक्ष मान (बल) 30 प्राप्त होता है। अतः, चयन सही है।