रेखीय गति प्रणालियाँ अनगिनत मशीनों में पाई जाती हैं, जिनमें सटीक लेजर कटिंग सिस्टम, प्रयोगशाला स्वचालन उपकरण, सेमीकंडक्टर निर्माण मशीनें, सीएनसी मशीनें, फैक्ट्री स्वचालन और अनगिनत अन्य उपकरण शामिल हैं। ये अपेक्षाकृत सरल उपकरणों जैसे यात्री वाहन में लगे सस्ते सीट एक्चुएटर से लेकर जटिल, बहु-अक्षीय समन्वय प्रणाली तक हो सकती हैं, जिनमें बंद-लूप स्थिति निर्धारण के लिए नियंत्रण और ड्राइव इलेक्ट्रॉनिक्स लगे होते हैं। रेखीय गति प्रणाली चाहे कितनी भी सरल या जटिल क्यों न हो, मूल रूप से उनमें एक बात समान होती है: किसी भार को एक निश्चित समय में एक रेखीय दूरी तक ले जाना।

लीनियर मोशन सिस्टम को डिज़ाइन करते समय सबसे आम सवालों में से एक मोटर तकनीक से संबंधित होता है। तकनीक का चुनाव हो जाने के बाद, मोटर का आकार इस प्रकार निर्धारित किया जाना चाहिए कि वह लोड त्वरण, सिस्टम में घर्षण और गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव को सहन कर सके, साथ ही सुरक्षित अधिकतम परिचालन तापमान को भी बनाए रख सके। मोटर का टॉर्क, गति, शक्ति और स्थिति निर्धारण क्षमता, ड्राइव और नियंत्रण के साथ-साथ मोटर के डिज़ाइन पर निर्भर करती है।

मुझे किस मोटर से शुरुआत करनी चाहिए?

किसी विशेष मोटर तकनीक का उपयोग करके रैखिक गति प्रणाली को डिज़ाइन करते समय कई व्यावहारिक प्रश्नों पर विचार करना आवश्यक होता है। पूरी प्रक्रिया का विस्तृत विवरण इस लेख के दायरे से बाहर है। इसका उद्देश्य आपको मोटर आपूर्तिकर्ता से बात करते समय सही प्रश्न पूछने के लिए प्रेरित करना है।

हर काम के लिए एक ही मोटर सबसे अच्छी नहीं होती, बल्कि हर काम के लिए एक मोटर सबसे उपयुक्त होती है। अधिकांश क्रमिक गति अनुप्रयोगों में, स्टेपर मोटर, ब्रश डीसी मोटर या ब्रश रहित डीसी मोटर का ही चुनाव किया जाता है। सबसे जटिल गति प्रणालियों में, लोड से सीधे जुड़ी रैखिक मोटरों का उपयोग किया जा सकता है, जिससे यांत्रिक शक्ति रूपांतरण की आवश्यकता नहीं होती; इसमें लीड स्क्रू/बॉल स्क्रू, गियरबॉक्स या पुली प्रणाली के माध्यम से गति देने की आवश्यकता नहीं होती। हालांकि कोरलेस डायरेक्ट-ड्राइव रैखिक सर्वो प्रणालियों से अधिकतम सटीकता, दोहराव और स्थिति निर्धारण प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन ये घूर्णी मोटरों की तुलना में सबसे महंगी और जटिल होती हैं। घूर्णी मोटरों का उपयोग करने वाली संरचना काफी कम खर्चीली होती है और अधिकांश रैखिक गति अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं को पूरा करती है; हालांकि, लोड को चलाने के लिए किसी न किसी प्रकार के "घूर्णी से रैखिक" रूपांतरण (और परिणामस्वरूप, शक्ति रूपांतरण) की आवश्यकता होती है।

स्टेपर, ब्रश और ब्रशलेस मोटर, सभी को डीसी मोटर माना जाता है; हालांकि, कुछ बारीक अंतर होते हैं जिनके कारण एक इंजीनियर किसी विशेष अनुप्रयोग में एक प्रकार की मोटर को अन्य दो प्रकारों पर प्राथमिकता दे सकता है। यह महत्वपूर्ण है कि यह चुनाव सिस्टम की डिज़ाइन आवश्यकताओं पर बहुत अधिक निर्भर करता है, न केवल गति और टॉर्क के संदर्भ में, बल्कि स्थिति निर्धारण सटीकता, दोहराव और रिज़ॉल्यूशन आवश्यकताओं पर भी। हर अनुप्रयोग के लिए कोई आदर्श मोटर नहीं होती, और सभी निर्णयों में डिज़ाइन संबंधी समझौते करने पड़ते हैं। सबसे बुनियादी स्तर पर, सभी मोटरें, चाहे उन्हें एसी या डीसी कहा जाए, ब्रश, ब्रशलेस या कोई अन्य विद्युत मोटर, टॉर्क उत्पन्न करने के लिए भौतिकी के एक ही सिद्धांत पर काम करती हैं: चुंबकीय क्षेत्रों की परस्पर क्रिया। हालांकि, इन विभिन्न मोटर प्रौद्योगिकियों की प्रतिक्रिया में विशिष्ट अनुप्रयोगों में काफी अंतर होता है। मोटर का समग्र प्रदर्शन, प्रतिक्रिया और टॉर्क उत्पादन भौतिक मोटर डिज़ाइन में निहित क्षेत्र उत्तेजना की विधि और चुंबकीय सर्किट ज्यामिति, नियंत्रक/ड्राइव द्वारा इनपुट वोल्टेज और करंट के नियंत्रण, और यदि अनुप्रयोग की आवश्यकता हो तो वेग या स्थिति प्रतिक्रिया की विधि पर निर्भर करता है।

डीसी स्टेपर, ब्रश सर्वो और ब्रशलेस सर्वो मोटर तकनीकें, तीनों ही विद्युत आपूर्ति के लिए डीसी का उपयोग करती हैं। रैखिक गति अनुप्रयोगों के लिए, इसका अर्थ यह नहीं है कि डीसी का एक स्थिर स्रोत सीधे मोटर वाइंडिंग पर लगाया जा सकता है; वाइंडिंग करंट (आउटपुट टॉर्क से संबंधित) और वाइंडिंग वोल्टेज (आउटपुट गति से संबंधित) को नियंत्रित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता होती है। नीचे इन तीनों तकनीकों की खूबियों और कमियों का सारांश दिया गया है।

रेखीय प्रणाली का डिज़ाइन भार के द्रव्यमान और उस द्रव्यमान को बिंदु A से बिंदु B तक कितनी गति से ले जाना है, इस पर आधारित होता है। मोटर का प्रकार, आकार और यांत्रिक डिज़ाइन भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक शक्ति (वॉट) पर आधारित होते हैं। भार से शुरू होकर ड्राइव पावर सप्लाई तक सभी घटकों से गुजरते हुए, विश्लेषण कई चरणों की एक श्रृंखला है जिसमें सिस्टम के एक भाग से दूसरे भाग में शक्ति रूपांतरण को समझना शामिल है, साथ ही बीच के विभिन्न घटकों की दक्षता पर भी विचार किया जाता है। ड्राइव में वोल्टेज और करंट के रूप में वॉट अंततः एक निश्चित समय में दिए गए भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक यांत्रिक आउटपुट वॉट में परिवर्तित होते हैं।

लोड पर आवश्यक आउटपुट पावर का अनुमान लगाने के लिए, एक सरल पावर गणना मोटर के लिए उपयुक्त अनुमानित मान प्रदान करेगी। आवश्यक औसत आउटपुट पावर को समझने के बाद, विभिन्न पावर रूपांतरण घटकों के माध्यम से मोटर और ड्राइव तक पावर आवश्यकताओं का विश्लेषण पूरा करें। विभिन्न घटकों की दक्षता को ध्यान में रखने के लिए निर्माताओं के डेटा का संदर्भ लेना चाहिए, क्योंकि यही अंततः मोटर और पावर सप्लाई के आकार को निर्धारित करेगा। उपयोग की जाने वाली इकाइयों का चुनाव व्यक्तिगत पसंद पर निर्भर करता है, लेकिन SI इकाइयों का उपयोग करने की अत्यधिक अनुशंसा की जाती है। SI इकाइयों में काम करने से कई रूपांतरण स्थिरांकों को याद रखने की आवश्यकता नहीं होती है, और अंतिम परिणाम को हमेशा अंग्रेजी इकाइयों में वापस परिवर्तित किया जा सकता है।

निर्धारित समय में भार को स्थानांतरित करने के लिए कितनी शक्ति की आवश्यकता होगी?

9 किलोग्राम द्रव्यमान को गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध उठाने के लिए लगभग 88 नैनोमीटर बल की आवश्यकता होगी। भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक वाट की गणना करने से सिस्टम के शेष घटकों को निर्धारित करने के लिए एक प्रारंभिक बिंदु प्राप्त होगा। यह 9 किलोग्राम द्रव्यमान को बिंदु A से बिंदु B तक 1 सेकंड में लंबवत रूप से स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक औसत शक्ति है। घर्षण जैसे सिस्टम हानियों को इसमें शामिल नहीं किया गया है। मोटर शाफ्ट के लिए आवश्यक शक्ति कुछ अधिक होगी और यह सिस्टम में उपयोग किए गए अन्य घटकों जैसे गियरबॉक्स और लीड स्क्रू पर निर्भर करती है।

P = (F × S) / t

P = (88N × 0.2m) / 1.0s = 17.64w

यह सिस्टम से अपेक्षित अधिकतम शक्ति से भिन्न है। त्वरण और मंदी को ध्यान में रखने पर, गति के दौरान तात्कालिक शक्ति कुछ अधिक होगी; हालांकि, लोड पर आवश्यक औसत आउटपुट शक्ति लगभग 18 वाट है। सभी घटकों के गहन विश्लेषण के बाद, इस प्रकार के सिस्टम को कार्य पूरा करने के लिए लगभग 37 वाट की अधिकतम शक्ति की आवश्यकता होगी। यह जानकारी, अन्य विभिन्न अनुप्रयोग विशिष्टताओं के साथ मिलकर, सबसे उपयुक्त मोटर तकनीक चुनने में सहायक होगी।

मुझे किस मोटर तकनीक पर विचार करना चाहिए?

उत्कृष्ट स्थिति निर्धारण क्षमता और अपेक्षाकृत सरल नियंत्रणों के कारण एक डिज़ाइनर सबसे पहले स्टेपर मोटर के उपयोग की संभावना पर विचार करेगा। हालाँकि, स्टेपर मोटर लोड की आवश्यकताओं को पूरा करते हुए छोटे यांत्रिक आकार की आवश्यकता को पूरा नहीं कर पाएगी। 37 वाट की अधिकतम शक्ति आवश्यकता के लिए एक बहुत बड़ी स्टेपर मोटर की आवश्यकता होगी। यद्यपि स्टेपर मोटर कम गति पर बहुत अधिक टॉर्क प्रदान करती हैं, लेकिन गति प्रोफ़ाइल की अधिकतम गति और इस प्रकार आवश्यक शक्ति, सबसे बड़ी स्टेपर मोटरों को छोड़कर बाकी सभी की क्षमता से अधिक होती है।

ब्रश डीसी सर्वो मोटर लोड संबंधी आवश्यकताओं को पूरा करेगी, इसका आकार छोटा होगा और कम गति पर इसका घूर्णन बहुत सुगम होगा; हालांकि, सख्त ईएमसी आवश्यकताओं के कारण, इस विशेष अनुप्रयोग के लिए ब्रश मोटर से बचना ही बेहतर होगा। यह ब्रश रहित प्रणाली की तुलना में कम खर्चीला विकल्प होगा, लेकिन यह किसी भी कठोर ईएमसी आवश्यकताओं को पूरा करने में कठिनाई उत्पन्न कर सकता है।

साइनसोइडल ड्राइव सिस्टम का उपयोग करने वाली ब्रशलेस डीसी मोटर लोड और मोशन प्रोफाइल (उच्च पावर घनत्व), कम गति पर सुचारू, बिना रुकावट वाली गति और छोटे आकार सहित सभी अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पहली पसंद होगी। इस मामले में, ड्राइव इलेक्ट्रॉनिक्स की उच्च आवृत्ति स्विचिंग के कारण ईएमआई सिग्नेचर की संभावना बनी रहेगी; हालांकि, संकीर्ण आवृत्ति बैंड के कारण इन-लाइन फ़िल्टरिंग का उपयोग करके इसे कम किया जा सकता है। ब्रश डीसी मोटर एक व्यापक बैंड ईएमआई सिग्नेचर प्रदर्शित करती है, जिससे इसे फ़िल्टर करना अधिक चुनौतीपूर्ण हो जाता है।

मोटर साइजिंग तो बस शुरुआत है।

यह लेख एक अपेक्षाकृत सरल रैखिक गति अनुप्रयोग के लिए मोटर तकनीक का चयन करते समय डिजाइनर को विभिन्न पहलुओं से परिचित कराने के लिए एक संक्षिप्त चर्चा है। हालांकि XY टेबल या बहु-अक्षीय सटीक पिक-एंड-प्लेस तंत्र जैसे अधिक जटिल सिस्टम के लिए सिद्धांत समान हैं, फिर भी प्रत्येक अक्ष पर लोड का विश्लेषण अलग-अलग करना होगा। इस लेख के दायरे से बाहर एक अन्य पहलू यह है कि सिस्टम के वांछित जीवनकाल (चक्रों की संख्या) को पूरा करने के लिए उपयुक्त सुरक्षा कारक का चयन कैसे किया जाए। सिस्टम का जीवनकाल केवल मोटर के आकार पर ही निर्भर नहीं करता, बल्कि सिस्टम के अन्य यांत्रिक तत्वों जैसे गियरबॉक्स और लीड स्क्रू असेंबली पर भी निर्भर करता है। स्थिति सटीकता, रिज़ॉल्यूशन, दोहराव, अधिकतम रोल, पिच और यॉ आदि जैसे अन्य कारक भी महत्वपूर्ण हैं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि रैखिक गति सिस्टम अनुप्रयोग के लक्ष्यों को पूरा करे या उससे भी बेहतर प्रदर्शन करे।