इलेक्ट्रॉनिक, ऑप्टिक, कंप्यूटर, निरीक्षण, स्वचालन और लेजर उद्योगों को विविध प्रकार के पोजिशनिंग सिस्टम विनिर्देशों की आवश्यकता होती है।कोई भी एक प्रणाली सभी के लिए सही नहीं होती।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि एक उच्च-सटीकता वाली स्थिति निर्धारण प्रणाली सर्वोत्तम रूप से कार्य करे, प्रणाली के सभी घटक - बियरिंग, स्थिति-मापन प्रणाली, मोटर-और-ड्राइव प्रणाली और नियंत्रक - को अनुप्रयोग मानदंडों को पूरा करने के लिए यथासंभव एक साथ काम करना चाहिए।

आधार और बेयरिंग

इष्टतम सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन का निर्णय लेने के लिए, सबसे पहले सिस्टम के यांत्रिक भाग पर विचार करें। लीनियर स्टेज के लिए, बेस और बेयरिंग डिज़ाइन के चार सामान्य विकल्प निम्नलिखित हैं:
• बोल्टन बॉल-बेयरिंग वेज़ के साथ एल्यूमीनियम बेस और स्लाइड।
• स्टील की पटरियों पर चार पुनर्संचारित रोलर-बेयरिंग ब्लॉकों के साथ एल्यूमीनियम या स्टील का आधार और एल्यूमीनियम या स्टील के किनारे।
• मीहनाइट कास्ट आयरन बेस और इंटीग्रल रोलर-बेयरिंग वेज़ के साथ स्लाइड।
• ग्रेनाइट या कच्चा लोहा स्लाइड और एयर बेयरिंग के साथ ग्रेनाइट गाइड।

एल्युमिनियम मीहैनाइट या स्टील से हल्का होता है, लेकिन कम कठोर, कम स्थिर, कम दबाव सहने वाला और कम तनाव-प्रतिरोधी होता है। इसके अलावा, एल्युमिनियम तापमान परिवर्तन के प्रति बहुत अधिक संवेदनशील होता है। कच्चा लोहा एल्युमिनियम से 150% अधिक कठोर और कंपन को कम करने में 300% बेहतर होता है। स्टील लोहे की तुलना में अधिक टिकाऊ और मजबूत होता है। हालांकि, इसमें लंबे समय तक कंपन की समस्या रहती है, जो तेजी से चलने और स्थिर होने के समय के लिए हानिकारक होती है।

एयर बेयरिंग वाले ग्रेनाइट गाइड सबसे मजबूत और टिकाऊ संयोजन प्रदान करते हैं। ग्रेनाइट को सबमाइक्रोन रेंज में समतल और सीधा करने के लिए पॉलिश किया जा सकता है। ग्रेनाइट टेबल की एक कमी यह है कि ग्रेनाइट के द्रव्यमान के कारण, यह अधिक जगह घेरता है और स्टील या लोहे से बने पोजिशनिंग सिस्टम की तुलना में अधिक भारी होता है। हालांकि, बेयरिंग और ग्रेनाइट गाइड सतहों के बीच कोई संपर्क न होने के कारण, घिसाव नहीं होता है, और एयर बेयरिंग काफी हद तक स्वतः साफ हो जाते हैं। साथ ही, ग्रेनाइट में उत्कृष्ट कंपन अवशोषक गुण और ऊष्मीय स्थिरता होती है।

इसके अलावा, टेबल के समग्र प्रदर्शन में उसका डिज़ाइन भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। टेबल कई प्रकार के कॉन्फ़िगरेशन में उपलब्ध हैं, जिनमें कई भागों वाली बोल्ट-टुगेदर यूनिट से लेकर साधारण कास्ट बेस और स्लाइड तक शामिल हैं। टेबल में एक ही सामग्री का उपयोग करने से तापमान में बदलाव के प्रति आमतौर पर अधिक एकरूपता मिलती है, जिससे सिस्टम अधिक सटीक बनता है। रिबिंग जैसी विशेषताएं डैम्पिंग प्रदान करती हैं, जिससे टेबल जल्दी स्थिर हो जाती है।

इंटीग्रल वेज़ का बोल्ट-ऑन वेज़ पर यह फायदा है कि लंबे समय के बाद भी, प्रीलोड के लिए वेज़ में किसी तरह के समायोजन की आवश्यकता नहीं होती है।

क्रॉस्ड रोलर बेयरिंग में रोलर और रेसवे के बीच सीधी रेखा में संपर्क होता है, जबकि बॉल बेयरिंग में बॉल और रेसवे के बीच बिंदु संपर्क होता है। इससे आमतौर पर रोलर बेयरिंग की गति अधिक सुगम होती है। रोलिंग सतह पर सतह विरूपण (और घिसाव) कम होता है और संपर्क क्षेत्र अधिक होता है, इसलिए भार अधिक समान रूप से वितरित होता है। 4.5 से 14 किलोग्राम/रोलर तक का भार मानक है, साथ ही लगभग 150 से 300 न्यूटन/माइक्रोन की उच्च यांत्रिक कठोरता भी होती है। इसके नुकसानों में सीधी रेखा में संपर्क से उत्पन्न आंतरिक घर्षण शामिल है।

बॉल बेयरिंग के घर्षण को सीमित करने वाला छोटा संपर्क क्षेत्र, हालांकि, इसकी भार वहन क्षमता को भी सीमित करता है। रोलर बेयरिंग आमतौर पर बॉल बेयरिंग की तुलना में अधिक समय तक चलती हैं। हालांकि, रोलर बेयरिंग अधिक महंगी होती हैं।

एक निर्माता द्वारा निर्मित मानक टेबल के आकार में 25 से 1,800 मिमी की लंबाई और 100 से 600 मिमी की स्लाइड चौड़ाई शामिल है।

एयर बेयरिंग कॉन्फ़िगरेशन में लिफ्ट और गाइड बेयरिंग होते हैं, जिन पर विपरीत दिशा में लगे एयर बेयरिंग या गाइडिंग सदस्यों में लगे उच्च-बल वाले दुर्लभ-पृथ्वी चुंबकों द्वारा पहले से भार डाला जाता है। यह गैर-संपर्क डिज़ाइन अन्य बेयरिंग डिज़ाइनों के घर्षण से बचाता है। साथ ही, एयर बेयरिंग में कोई यांत्रिक घिसाव नहीं होता है। इसके अलावा, एयर बेयरिंग को काफी दूरी पर लगाया जा सकता है। इस प्रकार, परिणामी ज्यामितीय त्रुटियों का औसत निकाला जाता है, जिससे कोणीय विचलन 1 सेकंड चाप से कम और 200 मिमी से अधिक की सीधी रेखा 0.25 माइक्रोन से बेहतर होती है।

संख्यात्मक मान देना कठिन है — क्योंकि ये कई कारकों पर निर्भर करते हैं। उदाहरण के लिए, स्थिति निर्धारण की सटीकता न केवल बियरिंग या गाइड पर निर्भर करती है, बल्कि स्थिति-मापन प्रणाली और नियंत्रक पर भी निर्भर करती है। किसी स्थिति निर्धारण प्रणाली में घर्षण न केवल आपके द्वारा चुनी गई ड्राइव प्रणाली पर निर्भर करता है, बल्कि बियरिंग समायोजन, टेबल सीलिंग, स्नेहन आदि पर भी निर्भर करता है। इसलिए, प्राप्त किए जा सकने वाले सटीक मान सभी घटकों के संयोजन पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं, जो बदले में अनुप्रयोग पर निर्भर करता है।

ड्राइव सिस्टम

कई प्रकार के ड्राइव सिस्टमों में से - बेल्ट, रैक-एंड-पिनियन, लीड स्क्रू, प्रेसिजन-ग्राउंड बॉल स्क्रू और लीनियर मोटर - अधिकांश उच्च-सटीकता स्थिति निर्धारण प्रणालियों के लिए केवल अंतिम दो पर ही विचार किया जाता है।

बॉल स्क्रू ड्राइव विभिन्न प्रकार के रिज़ॉल्यूशन, परिशुद्धता और कठोरता विशेषताओं में उपलब्ध हैं और उच्च वेग (250 मिमी/सेकंड से अधिक) प्रदान कर सकते हैं। हालांकि, बॉल स्क्रू ड्राइव स्क्रू की क्रिटिकल रोटरी गति द्वारा सीमित होने के कारण, उच्च वेग के लिए कम पिच, कम यांत्रिक लाभ और उच्च शक्ति वाले मोटर की आवश्यकता होती है। इसका आमतौर पर मतलब उच्च बस वोल्टेज वाले उच्च शक्ति वाले मोटर ड्राइव में बदलना होता है। बॉल स्क्रू ड्राइव, हालांकि व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, फिर भी इनमें यांत्रिक बैकलैश, वाइंड-अप, पिच चक्रीय त्रुटियां और घर्षण जैसी समस्याएं हो सकती हैं। मोटर और ड्राइव को जोड़ने वाले यांत्रिक कपलिंग की कठोरता पर भी अक्सर ध्यान नहीं दिया जाता है।

लीनियर सर्वोमोटर में, विद्युत चुम्बकीय बल बिना किसी यांत्रिक संबंध के सीधे गतिशील द्रव्यमान से जुड़ता है। इसमें कोई यांत्रिक हिस्टैरेसिस या पिच चक्रीय त्रुटि नहीं होती है। सटीकता पूरी तरह से बेयरिंग सिस्टम और फीडबैक नियंत्रण प्रणाली पर निर्भर करती है।

गतिशील कठोरता यह दर्शाती है कि एक सर्वो प्रणाली आवेग भार के प्रति प्रतिक्रिया में अपनी स्थिति को कितनी अच्छी तरह बनाए रखती है। सामान्य तौर पर, अधिक बैंडविड्थ और उच्च लाभ अधिक गतिशील कठोरता प्रदान करते हैं। इसे मापे गए आवेग भार को विक्षेपण दूरी से विभाजित करके मापा जा सकता है:

गतिशील कठोरता = ΔF/ΔX

उच्च कठोरता और उच्च प्राकृतिक आवृत्ति के कारण कम स्थिरीकरण समय के साथ उत्कृष्ट सर्वो प्रदर्शन प्राप्त होता है। स्लाइड मोटर और स्लाइड के बीच कोई यांत्रिक जुड़ाव न होने के कारण स्थिति परिवर्तन के आदेशों पर तुरंत प्रतिक्रिया करती है। साथ ही, बॉल स्क्रू की "रिंगिंग" न होने के कारण, तीव्र गति और स्थिरीकरण समय प्राप्त किया जा सकता है।

ब्रश रहित रैखिक मोटर में मशीन के आधार पर स्थिर एक स्थायी चुंबक असेंबली और स्लाइड पर लगी एक कॉइल असेंबली होती है। कॉइल असेंबली और चुंबकों के बीच लगभग 0.5 मिमी का अंतर रखा जाता है। दोनों असेंबली के बीच कोई भौतिक संपर्क नहीं होता है।

मूविंग कॉइल असेंबली के कोर में ओवरलैप की गई और इंसुलेटेड कॉपर कॉइल्स की एक श्रृंखला होती है। इन्हें थ्री-फेज़ ऑपरेशन के लिए सटीक रूप से वाउंड और पिच किया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक कम्यूटेशन के लिए हॉल इफेक्ट सेंसर की एक श्रृंखला का उपयोग किया जाता है। कम्यूटेशन इलेक्ट्रॉनिक्स का डिज़ाइन नगण्य बल रिपल के साथ गति प्रदान करता है। चूंकि कम्यूटेशन यांत्रिक के बजाय इलेक्ट्रॉनिक है, इसलिए कम्यूटेशन आर्क की समस्या समाप्त हो जाती है।

इन गुणों के कारण लीनियर सर्वोमोटर उन अनुप्रयोगों में उपयोगी होता है जिनमें उच्च त्वरण (जैसे 2.5 मीटर/सेकंड² या उससे अधिक), उच्च वेग (जैसे 2 मीटर/सेकंड² या उससे अधिक), या बहुत कम गति (जैसे कुछ मिलीमीटर/सेकंड) पर भी सटीक वेग नियंत्रण की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, ऐसे मोटर को किसी स्नेहन या अन्य रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है और इसमें घिसाव भी नहीं होता है। अन्य मोटरों की तरह, ऊष्मा अपव्यय के कारण निरंतर बल या धारा का आरएमएस मान लंबे समय तक अनुमेय मानों से अधिक नहीं होना चाहिए।

लीनियर सर्वोमोटर 25 से लेकर 5,000 N से अधिक की निरंतर ड्राइव फोर्स में उपलब्ध हैं। अधिकांश बड़े मोटरों में एयर या वाटर कूलिंग की सुविधा होती है। अधिक ड्राइव फोर्स प्राप्त करने के लिए कई लीनियर मोटरों को समानांतर या श्रृंखला में जोड़ा जा सकता है।

मोटर और स्लाइड के बीच कोई यांत्रिक जुड़ाव न होने के कारण, बॉल स्क्रू ड्राइव की तरह कोई यांत्रिक अपघटन नहीं होता है। लोड मोटर पर 1:1 अनुपात में स्थानांतरित होता है। बॉल स्क्रू ड्राइव में, स्लाइड से मोटर पर लोड का जड़त्व अपघटन अनुपात के वर्ग के अनुपात में कम हो जाता है। इससे लीनियर मोटर ड्राइव उन अनुप्रयोगों के लिए कम उपयुक्त हो जाती है जिनमें लोड में बार-बार परिवर्तन होता है, जब तक कि आप ऐसा नियंत्रक न चुनें जिसे अलग-अलग लोड के अनुरूप मोटर नियंत्रण मापदंडों के विभिन्न सेटों के साथ प्रोग्राम किया जा सके ताकि प्रभावी सर्वो क्षतिपूर्ति प्राप्त की जा सके।

कई ऊर्ध्वाधर अनुप्रयोगों के लिए, बॉल स्क्रू अधिक सरल और लागत प्रभावी होता है — गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव को संतुलित करने के लिए रैखिक मोटर को लगातार चालू रखना आवश्यक होता है। साथ ही, बिजली बंद होने पर इलेक्ट्रोमैकेनिकल ब्रेक टेबल की स्थिति को लॉक कर सकता है। हालांकि, यदि आप मोटर और भार के संतुलन को स्प्रिंग, काउंटरवेट या एयर सिलेंडर से संतुलित करते हैं, तो आप रैखिक मोटर का उपयोग कर सकते हैं।

प्रारंभिक लागत में, मोटर, कपलिंग, बियरिंग, बियरिंग ब्लॉक और बॉल स्क्रू सहित लीनियर मोटर ड्राइव और बॉल स्क्रू ड्राइव के बीच बहुत कम अंतर होता है। सामान्य तौर पर, ब्रश प्रकार की लीनियर मोटर बॉल स्क्रू ड्राइव से थोड़ी सस्ती होती है, और ब्रश रहित संस्करण आमतौर पर थोड़े महंगे होते हैं।

शुरुआती लागत के अलावा भी कई बातों पर विचार करना आवश्यक है। अधिक व्यावहारिक तुलना में रखरखाव, विश्वसनीयता, टिकाऊपन और श्रम सहित प्रतिस्थापन लागत को शामिल किया जाता है। इस मामले में लीनियर मोटर बेहतर साबित होती है।

भाग 2 में स्थिति-मापन प्रणालियों को शामिल किया जाएगा।