रैखिक गति प्रणालियाँ अनगिनत मशीनों में पाई जाती हैं, जिनमें सटीक लेज़र कटिंग प्रणालियाँ, प्रयोगशाला स्वचालन उपकरण, अर्धचालक निर्माण मशीनें, सीएनसी मशीनें, फ़ैक्टरी स्वचालन, और कई अन्य शामिल हैं, जिनकी सूची बनाना मुश्किल है। ये अपेक्षाकृत सरल, जैसे कि यात्री वाहन में एक सस्ता सीट एक्ट्यूएटर, से लेकर बंद-लूप पोजिशनिंग के लिए नियंत्रण और ड्राइव इलेक्ट्रॉनिक्स से युक्त एक जटिल, बहु-अक्षीय समन्वय प्रणाली तक, विभिन्न प्रकार की होती हैं। रैखिक गति प्रणाली चाहे कितनी भी सरल या जटिल क्यों न हो, सबसे बुनियादी स्तर पर, इन सभी में एक बात समान है: एक निश्चित समय में एक रैखिक दूरी तक भार को गति देना।

रेखीय गति प्रणाली डिज़ाइन करते समय सबसे आम प्रश्नों में से एक मोटर तकनीक पर केंद्रित होता है। एक बार तकनीक चुन लेने के बाद, मोटर का आकार भार त्वरण, प्रणाली में घर्षण पर काबू पाने और गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव को कम करने की ज़रूरतों को पूरा करने के लिए होना चाहिए, और साथ ही एक सुरक्षित अधिकतम परिचालन तापमान भी बनाए रखना चाहिए। मोटर का टॉर्क, गति, शक्ति और स्थिति निर्धारण क्षमता, मोटर डिज़ाइन के साथ-साथ ड्राइव और नियंत्रण पर निर्भर करती है।

मुझे किस मोटर से शुरुआत करनी चाहिए?

किसी विशेष मोटर तकनीक का उपयोग करके रैखिक गति प्रणाली डिज़ाइन करते समय कई अनुप्रयोग संबंधी 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 बारे में सोचने के लिए प्रेरित करना है।

हर अनुप्रयोग के लिए सर्वोत्तम मोटर जैसी कोई चीज़ नहीं होती, बल्कि किसी विशेष अनुप्रयोग के लिए सर्वोत्तम मोटर होती है। वृद्धिशील गति अनुप्रयोगों के विशाल बहुमत में, विकल्प या तो एक स्टेपर मोटर, ब्रश डीसी मोटर, या ब्रशलेस डीसी मोटर होगा। सबसे जटिल गति प्रणालियाँ सीधे लोड से युग्मित रैखिक मोटरों का उपयोग कर सकती हैं, जिससे यांत्रिक शक्ति रूपांतरण की आवश्यकता नहीं होती है; लीड स्क्रू/बॉल स्क्रू, गियरबॉक्स, या पुली प्रणाली के माध्यम से अनुवाद की कोई आवश्यकता नहीं है। हालांकि अधिकतम सटीकता, दोहराव और स्थिति निर्धारण संकल्प कोरलेस डायरेक्ट-ड्राइव रैखिक सर्वो प्रणालियों के साथ प्राप्त किया जा सकता है, रोटरी मोटर्स की तुलना में वे सबसे अधिक लागत और जटिलता वाले होते हैं। रोटरी मोटर्स का उपयोग करने वाला एक आर्किटेक्चर बहुत कम खर्चीला होता है, और अधिकांश रैखिक गति अनुप्रयोगों को पूरा करेगा

स्टेपर, ब्रश और ब्रशलेस मोटर, सभी को डीसी मोटर माना जाता है; हालाँकि, कुछ सूक्ष्मताएँ होती हैं जिनके कारण कोई इंजीनियर किसी विशेष अनुप्रयोग में एक प्रकार की मोटर को अन्य दो की तुलना में तरजीह देता है। इस बात पर ज़ोर देना ज़रूरी है कि यह चुनाव प्रणाली की डिज़ाइन आवश्यकताओं पर अत्यधिक 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 एक आदर्श मोटर नहीं होती, और सभी निर्णयों के लिए डिज़ाइन में बदलाव की आवश्यकता होगी। सबसे बुनियादी स्तर पर, सभी मोटरें, चाहे उन्हें एसी या डीसी, ब्रश, ब्रशलेस या कोई अन्य इलेक्ट्रिक मोटर कहा जाए, टॉर्क उत्पन्न करने के लिए भौतिकी के एक ही सिद्धांत के तहत काम करती हैं: चुंबकीय क्षेत्रों की परस्पर क्रिया। हालाँकि, इन विभिन्न मोटर तकनीकों की विशिष्ट अनुप्रयोगों में प्रतिक्रिया के तरीके में नाटकीय अंतर होते हैं। समग्र मोटर प्रदर्शन, प्रतिक्रिया और टॉर्क उत्पादन, भौतिक मोटर डिज़ाइन में निहित क्षेत्र उत्तेजना और चुंबकीय परिपथ ज्यामिति की विधि, नियंत्रक/ड्राइव द्वारा इनपुट वोल्टेज और धारा 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, सभी अपनी शक्ति के लिए डीसी आपूर्ति का उपयोग करती हैं। रैखिक गति अनुप्रयोगों के लिए, इसका मतलब यह नहीं है कि डीसी का एक निश्चित स्रोत सीधे मोटर वाइंडिंग पर लगाया जा सकता है; वाइंडिंग करंट (आउटपुट टॉर्क से संबंधित) और वाइंडिंग वोल्टेज (आउटपुट स्पीड से संबंधित) को नियंत्रित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता होती है। नीचे तीनों तकनीकों की खूबियों और कमज़ोरियों का सारांश दिया गया है।

रैखिक प्रणाली का डिज़ाइन भार के द्रव्यमान और बिंदु A से बिंदु B तक द्रव्यमान को कितनी तेज़ी से पार करना है, से शुरू होता है। मोटर का प्रकार, आकार और यांत्रिक डिज़ाइन भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक शक्ति (वाट) से शुरू होता है। भार से शुरू होकर अंततः सभी घटकों से होते हुए ड्राइव पावर सप्लाई तक, विश्लेषण चरणों की एक श्रृंखला है जो सिस्टम के एक भाग से दूसरे भाग में शक्ति रूपांतरण को समझने के लिए है, साथ ही बीच के घटकों की विभिन्न दक्षताओं पर भी विचार करता है। ड्राइव में वोल्टेज और धारा के रूप में वाट अंततः एक निश्चित समय में दिए गए भार को स्थानांतरित करने वाले यांत्रिक आउटपुट वाट में परिवर्तित हो जाएँगे।

भार पर आवश्यक आउटपुट शक्ति का अनुमान लगाने के लिए, एक सरल शक्ति गणना मोटर की अनुमानित क्षमता का अनुमान लगाने में मदद करेगी। आवश्यक औसत आउटपुट शक्ति को समझने के बाद, मोटर और ड्राइव के विभिन्न शक्ति रूपांतरण तत्वों पर वापस जाकर शक्ति आवश्यकताओं का विश्लेषण पूरा करें। विभिन्न घटकों की दक्षता को ध्यान में रखने के लिए निर्माताओं के आंकड़ों का संदर्भ लिया जाना चाहिए, क्योंकि अंततः यही मोटर और विद्युत आपूर्ति के आकार का निर्धारण करेगा। यह व्यक्तिगत पसंद पर निर्भर करता है कि किस इकाई के साथ काम करना है, लेकिन SI इकाइयों का उपयोग अत्यधिक अनुशंसित है। SI इकाइयों में काम करने से कई रूपांतरण स्थिरांक याद रखने की आवश्यकता नहीं होती है, और अंतिम परिणाम को हमेशा अंग्रेजी इकाइयों में परिवर्तित किया जा सकता है।

आवश्यक समय में भार को स्थानांतरित करने के लिए कितनी शक्ति की आवश्यकता है?

गुरुत्वाकर्षण के विरुद्ध उठाए गए 9 किलोग्राम द्रव्यमान के लिए लगभग 88 न्यूटन बल की आवश्यकता होगी। भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक वाट की गणना, शेष प्रणाली के घटकों को निर्धारित करने के लिए एक प्रारंभिक बिंदु प्रदान करेगी। यह 9 किलोग्राम द्रव्यमान को बिंदु A से बिंदु B तक 1 सेकंड में लंबवत स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक औसत शक्ति है। घर्षण जैसे सिस्टम नुकसान इसमें शामिल नहीं हैं। मोटर शाफ्ट की आवश्यक शक्ति कुछ अधिक होगी और यह सिस्टम में उपयोग किए जाने वाले अन्य घटकों, जैसे गियरबॉक्स और लीड स्क्रू, पर निर्भर करती है।

पी = (एफ × एस) / टी

पी = (88एन × 0.2मी) / 1.0एस = 17.64डब्ल्यू

यह उस अधिकतम शक्ति से अलग है जो सिस्टम को चाहिए होगी। त्वरण और मंदन को ध्यान में रखते हुए, गति प्रोफ़ाइल के दौरान तात्कालिक शक्ति कुछ ज़्यादा होगी; हालाँकि, लोड पर आवश्यक औसत आउटपुट शक्ति लगभग 18 वाट है। सभी घटकों के गहन विश्लेषण के बाद, इस तरह के सिस्टम को कार्य पूरा करने के लिए लगभग 37 वाट अधिकतम शक्ति की आवश्यकता होगी। यह जानकारी, अन्य विभिन्न अनुप्रयोग विशिष्टताओं के साथ, अब सबसे उपयुक्त मोटर तकनीक चुनने में मदद करेगी।

मुझे किस मोटर प्रौद्योगिकी पर विचार करना चाहिए?

उत्कृष्ट पोजिशनिंग क्षमता और अपेक्षाकृत सरल नियंत्रण, किसी भी डिज़ाइनर को पहले स्टेपर मोटर के उपयोग की संभावना पर विचार करने के लिए प्रेरित करेंगे। हालाँकि, एक स्टेपर मोटर, भार की माँग को पूरा करते हुए, छोटे यांत्रिक पदचिह्न की आवश्यकता को पूरा नहीं कर पाएगी। 37 वाट की अधिकतम शक्ति की आवश्यकता के लिए एक बहुत बड़े स्टेपर मोटर की आवश्यकता होगी। हालाँकि स्टेपर मोटरों में कम गति पर बहुत अधिक टॉर्क होता है, लेकिन गति प्रोफ़ाइल का अधिकतम वेग और इस प्रकार शक्ति की आवश्यकता, सबसे बड़े स्टेपर मोटरों को छोड़कर, सभी की क्षमता से अधिक होती है।

एक ब्रश डीसी सर्वो मोटर भार आवश्यकताओं को पूरा करेगी, एक छोटा यांत्रिक पदचिह्न होगा, और कम गति पर बहुत सुचारू घूर्णन करेगी; हालाँकि, सख्त ईएमसी आवश्यकताओं के कारण, इस विशेष अनुप्रयोग के लिए ब्रश मोटर से बचना ही बेहतर होगा। ब्रशलेस सिस्टम की तुलना में यह एक कम खर्चीला विकल्प होगा, लेकिन यह किसी भी सख्त ईएमसी आवश्यकताओं को पूरा करने में कठिनाई पेश कर सकता है।

साइनसॉइडल ड्राइव सिस्टम का उपयोग करने वाली ब्रशलेस डीसी मोटर, लोड और गति प्रोफ़ाइल (उच्च शक्ति घनत्व); कम गति पर सुचारू, कॉग-मुक्त गति; और कम यांत्रिक पदचिह्न सहित सभी अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पहली पसंद होगी। इस स्थिति में, ड्राइव इलेक्ट्रॉनिक्स के उच्च आवृत्ति स्विचिंग के कारण ईएमआई सिग्नेचर की संभावना अभी भी बनी रहेगी; हालाँकि, संकरी आवृत्ति बैंड के कारण इन-लाइन फ़िल्टरिंग का उपयोग करके इसे कम किया जा सकता है। एक ब्रश डीसी मोटर एक व्यापक बैंड ईएमआई सिग्नेचर प्रदर्शित करती है, जिससे इसे फ़िल्टर करना अधिक चुनौतीपूर्ण हो जाता है।

मोटर का आकार निर्धारण तो बस शुरुआत है

यह लेख एक संक्षिप्त चर्चा थी जिसका उद्देश्य एक डिज़ाइनर को अपेक्षाकृत सरल रैखिक गति अनुप्रयोग के लिए मोटर तकनीक चुनते समय विभिन्न विचारों से परिचित कराना था। यद्यपि सिद्धांत एक अधिक जटिल प्रणाली जैसे कि XY तालिका या बहु-अक्ष परिशुद्धता पिक-एंड-प्लेस तंत्र के लिए समान हैं, प्रत्येक अक्ष को लोड के लिए स्वतंत्र रूप से विश्लेषण करने की आवश्यकता होगी। इस लेख के दायरे से बाहर एक और विचार यह है कि सिस्टम के वांछित जीवन (चक्रों की संख्या) को पूरा करने के लिए एक उपयुक्त सुरक्षा कारक कैसे चुनें। सिस्टम का जीवन केवल मोटर के आकार का कार्य नहीं है, बल्कि सिस्टम में अन्य यांत्रिक तत्व जैसे गियरबॉक्स और लीड स्क्रू असेंबली का भी कार्य है। अन्य कारक जैसे कि स्थिति सटीकता, रिज़ॉल्यूशन, दोहराव, अधिकतम रोल, पिच और यॉ, आदि सभी महत्वपूर्ण विचार हैं जो यह सुनिश्चित करते हैं कि रैखिक गति प्रणाली अनुप्रयोग लक्ष्यों को पूरा करती है या उससे अधिक है।