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

रैखिक एक्चुएटर अनिवार्य रूप से एक सीधी रेखा के माध्यम से बल और गति उत्पन्न करते हैं। एक विशिष्ट यांत्रिक प्रणाली में, एक उपकरण का आउटपुट शाफ्ट गियर, एक बेल्ट और चरखी, या अन्य यांत्रिक घटकों के माध्यम से एक रोटरी मोटर का उपयोग करके रैखिक गति प्रदान करेगा। समस्या यह है कि इन घटकों को युग्मित और संरेखित किया जाना चाहिए। इससे भी बुरी बात यह है कि वे सिस्टम में घर्षण और प्रतिक्रिया जैसे घिसे-पिटे तत्व जोड़ते हैं। बेहतर स्थिति निर्धारण आवश्यकताओं के लिए, एक अधिक प्रभावी और सीधा विकल्प स्टेपर-मोटर-आधारित लीनियर एक्चुएटर्स से आता है।

ये उपकरण किसी मशीन या तंत्र के डिज़ाइन को सरल बनाते हैं जिसके लिए सटीक रैखिक स्थिति की आवश्यकता होती है क्योंकि वे सीधे मोटर के अंदर रोटरी-टू-रैखिक रूपांतरण प्रदान करते हैं। एक्चुएटर्स प्रत्येक विद्युत-इनपुट पल्स के लिए एक निश्चित डिग्री की रोटरी गति को आगे बढ़ाते हैं। यह तथाकथित "स्टेपिंग" सुविधा और एक सटीक लीडस्क्रू का उपयोग सटीक और दोहराने योग्य स्थिति प्रदान करता है।

स्टेपर-मोटर मूल बातें
यह देखने के लिए कि एक्चुएटर्स कैसे काम करते हैं, स्टेपर मोटर्स की मूल बातें समझना उपयोगी है। विभिन्न प्रकार के स्टेपर मोटर्स में परिवर्तनीय अनिच्छा (वीआर), स्थायी चुंबक (पीएम), और हाइब्रिड शामिल हैं। यह चर्चा हाइब्रिड स्टेपर पर केंद्रित है, जो उच्च टॉर्क और फाइन पोजिशनिंग रिज़ॉल्यूशन (1.8 या 0.9° स्टेप) प्रदान करता है। लीनियर एक्चुएटर सिस्टम में, हाइब्रिड जैसे उपकरणों में पाए जाते हैंXYटेबल, रक्त विश्लेषक, एचवीएसी उपकरण, छोटे गैन्ट्री रोबोट, वाल्व-नियंत्रण तंत्र और स्वचालित स्टेज-लाइटिंग सिस्टम।

हाइब्रिड स्टेपर के हुड के नीचे एक स्थायी-चुंबक रोटर और कॉइल वाइंडिंग से लिपटा एक स्टील स्टेटर होता है। कुंडल को सक्रिय करने से उत्तरी और दक्षिणी ध्रुवों के साथ एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र बनता है। स्टेटर चुंबकीय क्षेत्र का संचालन करता है, जिससे रोटर खुद को क्षेत्र के साथ संरेखित करता है। चूँकि कुंडल वाइंडिंग्स को क्रमिक रूप से सक्रिय और निष्क्रिय करने से चुंबकीय क्षेत्र बदल जाता है, प्रत्येक इनपुट पल्स या चरण हाइब्रिड मॉडल के आधार पर रोटर को क्रमिक रूप से 0.9 या 1.8 घूर्णी डिग्री तक ले जाने का कारण बनता है। स्टेपर-मोटर लीनियर एक्चुएटर में, रोटर में एम्बेडेड एक थ्रेडेड प्रिसिजन नट लीडस्क्रू (जो एक पारंपरिक शाफ्ट की जगह लेता है) के साथ जुड़ जाता है।

लीडस्क्रू झुके हुए तल के सरल यांत्रिक सिद्धांत का उपयोग करके एक रैखिक बल प्रदान करता है। एक स्टील शाफ्ट की कल्पना करें जिसके चारों ओर एक रैंप या झुका हुआ विमान लपेटा हुआ है। यांत्रिक लाभ या बल प्रवर्धन रैंप के कोण द्वारा निर्धारित किया जाता है जो पेंच व्यास, सीसा (एकल क्रांति में पेंच धागा आगे बढ़ने वाली अक्षीय दूरी), और पिच (आसन्न धागे के रूपों के बीच मापी गई अक्षीय दूरी) का एक कार्य है।

लीडस्क्रू धागे रैंप की ढलान (थ्रेड लीड) के आधार पर एक छोटे घूर्णी बल को बड़ी भार क्षमता में परिवर्तित करते हैं। एक छोटा सीसा उच्च बल लेकिन कम रैखिक गति प्रदान करता है। एक बड़ा लीड रोटरी पावर के समान स्रोत से कम बल लेकिन उच्च रैखिक गति देता है। कुछ डिज़ाइनों में, रोटर में लगा पावर नट बियरिंग-ग्रेड कांस्य से बना होता है जो आंतरिक धागों 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 जिसमें नट-स्क्रू थ्रेड इंटरफ़ेस पर घर्षण का गुणांक बहुत कम होता है।

कदम बढ़ाने का क्रम
स्टेपर मोटर चलाने की योजनाओं में "वन फेज़ ऑन" स्टेपिंग और "टू फेज़ ऑन" स्टेपिंग शामिल हैं।

एक सरलीकृत दो-चरण मोटर के लिए "एक चरण पर" अनुक्रम में, चरण 1 ऊर्जावान स्टेटर के चरण ए को दिखाता है। यह चुंबकीय रूप से रोटर को लॉक कर देता है क्योंकि विपरीत ध्रुव आकर्षित होते हैं। चरण A o और B को चालू करने से रोटर 90° दक्षिणावर्त गति करता है (चरण 2)। चरण 3 में, चरण बी ओ है और चरण ए चालू है, लेकिन चरण 1 से विपरीत ध्रुवता के साथ। रोटर को 90 डिग्री और घुमाने का कारण बनता है। चरण 4 में, चरण ए को ओ चालू किया जाता है और चरण बी को चरण 2 से उलट ध्रुवता के साथ चालू किया जाता है। इस अनुक्रम की पुनरावृत्ति के कारण रोटर 90° चरणों में दक्षिणावर्त गति करता है।

"दो चरण चालू" अनुक्रम में, दोनों मोटर चरण हमेशा सक्रिय रहते हैं, और केवल एक चरण की ध्रुवीयता स्विच होती है। इसके कारण रोटर स्वयं को "औसत" उत्तर और "औसत" दक्षिण चुंबकीय ध्रुवों के बीच संरेखित करता है। क्योंकि दोनों चरण हमेशा चालू रहते हैं, यह विधि "एक चरण चालू" स्टेपिंग की तुलना में 41.4% अधिक टॉर्क प्रदान करती है।

दुर्भाग्य से, हालांकि प्लास्टिक धागों के लिए अच्छा काम करता है, लेकिन यह हाइब्रिड स्टेपर डिज़ाइन में असर वाली पत्रिकाओं के लिए पर्याप्त स्थिर नहीं है। ऐसा इसलिए है क्योंकि निरंतर पूर्ण-लोड स्थिति के तहत, प्लास्टिक जर्नल पीतल जर्नल की तुलना में चार गुना अधिक विस्तार कर सकते हैं। यह राशि अस्वीकार्य है क्योंकि मोटर डिज़ाइन के लिए स्टेटर-टू-रोटर वायु अंतराल की आवश्यकता एक इंच के केवल कुछ हजारवें हिस्से की होती है। इस समस्या से निपटने का एक तरीका पीतल की आस्तीन के अंदर मोल्ड प्लास्टिक धागे को इंजेक्ट करना है जिसे स्थायी-चुंबक रोटर में डाला जाएगा। यह दृष्टिकोण मोटर जीवन को बढ़ाता है और बेयरिंग-जर्नल स्थिरता बनाए रखते हुए कम घर्षण प्रदान करता है।

विभिन्न प्रकार के हेडन एक्चुएटर्स में से, "कैप्टिव" उपकरणों में एक अंतर्निहित एंटीरोटेशन तंत्र होता है। यह कॉन्फ़िगरेशन 2.5 इंच तक का अधिकतम स्ट्रोक प्रदान करता है और सटीक द्रव वितरण, थ्रॉटल नियंत्रण और वाल्व आंदोलन जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। अन्य प्रकार केहेडनलीनियर एक्चुएटर्स "नॉनकैप्टिव" और "एक्सटर्नल लीनियर" हैं जो लंबे स्ट्रोक की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं जैसे कि छोटे गैन्ट्री रोबोट द्वारा रक्त ट्यूबों का स्थानांतरण,XYमोशन सिस्टम, और इमेजिंग सिस्टम।

एक्चुएटर को आकार देना
एक एप्लिकेशन उदाहरण सबसे अच्छा दिखाता है कि एक्चुएटर को कैसे आकार दिया जाए। निम्नलिखित मापदंडों पर विचार करें:

भार को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक रैखिक बल = 15 पौंड (67 एन)
रैखिक दूरी, मी, भार को स्थानांतरित करने की आवश्यकता है = 3 इंच (0.0762 मी)
समय,t, भार को सेकंड में स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक = 6 सेकंड
चक्रों की लक्ष्य संख्या = 1,000,000

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

जीवन की भविष्यवाणी करने का सबसे अच्छा तरीका एप्लिकेशन परीक्षण है, जिसकी अत्यधिक अनुशंसा की जाती है। का उपयोग करने वाली एक तकनीकप्रतिशत भार बनाम साइकिलों की संख्यावक्र एक अच्छे प्रथम सन्निकटन के रूप में कार्य करता है। स्टेपर मोटर्स में घिसने के लिए कोई ब्रश नहीं होता है, और वे सटीक, लंबे समय तक चलने वाले बॉल बेयरिंग का उपयोग करते हैं, इसलिए मुख्य घिसावट घटक पावर नट है। इसलिए, डिज़ाइन विनिर्देशों को पूरा करते हुए भी एक उपकरण कितने चक्रों तक चलता है, यह लोड का एक कार्य है।

का संदर्भ लेंप्रतिशत भार बनाम साइकिलों की संख्या1,000,000 चक्रों का सामना करने के लिए एक्चुएटर के लिए सही आकार कारक निर्धारित करने के लिए चार्ट। यह 50% निकला - 0.5 का कारक। 1,000,000 चक्रों के बाद भार को पूरा करने के लिए आवश्यक प्रारंभिक रेटेड बल, एन, इसलिए 15 एलबी/0.5 = 30 एलबी या 133 एन है।

अब वाट में आवश्यक रैखिक यांत्रिक शक्ति निर्धारित करें:

P_{रेखीय}= (एन × एम)/टी

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

इस डेटा के साथ, का उपयोग करेंएक्चुएटर फ्रेम का आकारसही फ़्रेम आकार का चयन करने के लिए तालिका। सभी स्टेपर-मोटर लीनियर एक्चुएटर्स को मोटर में पल्स भेजने के लिए ड्राइव की आवश्यकता होती है। ध्यान दें कि तालिका एल/आर ड्राइव (निरंतर वोल्टेज) और चॉपर ड्राइव (निरंतर वर्तमान) दोनों के लिए शक्ति सूचीबद्ध करती है। जब तक एप्लिकेशन बैटरी चालित न हो (हैंडहेल्ड पोर्टेबल डिवाइस की तरह), निर्माता अधिकतम प्रदर्शन के लिए चॉपर ड्राइव की अत्यधिक अनुशंसा करते हैं। इस उदाहरण में, तालिका में चॉपर ड्राइव पावर स्पेक्स की समीक्षा से पता चलता है कि हेडन 43000 सीरीज (आकार 17 हाइब्रिड) 1.7-डब्ल्यू आवश्यकता को सबसे करीब से पूरा करती है। यह चयन सिस्टम को अधिक डिज़ाइन किए बिना लोड आवश्यकताओं को पूरा करता है।

इसके बाद, रैखिक वेग (आईपीएस) की गणना करें। यह द्वारा दिया गया हैएम/टीऔर 3 इंच/6 सेकंड = 0.5 आईपीएस पर आता है। अनुकूलित फ्रेम आकार (आकार 17 हाइब्रिड) और रैखिक वेग (0.5 आईपीएस) के साथ, उपयुक्त का उपयोग करेंबल बनाम रैखिक वेगएक्चुएटर लीडस्क्रू का उचित रिज़ॉल्यूशन निर्धारित करने के लिए वक्र। इस मामले में, आवश्यक लीडस्क्रू रिज़ॉल्यूशन 0.00048 इंच है।

याद रखें कि लीडस्क्रू मोटर में इनपुट चरणों की संख्या के आधार पर आगे बढ़ता है। प्रदर्शन वक्र "आईपी" और "चरण/सेकंड" दोनों में व्यक्त किए जाते हैं। अपने चयन को सत्यापित करने के लिए, संदर्भ देकर आवश्यक चरण दर पर बल की जांच करेंबल बनाम पल्स दरवक्र, जहां: चुना गया रिज़ॉल्यूशन = 0.00048 इंच/चरण आवश्यक रैखिक वेग = 0.5 आईपीएस आवश्यक चरण दर = (0.5 आईपीएस)/ (0.00048 इंच/चरण) = 1,041 कदम।

1,041 को एक्स-अक्ष मान (पल्स दर) के रूप में प्लॉट करना और इस बिंदु से वक्र तक एक लंबवत रेखा खींचने से पता चलता है कि वाई-अक्ष मान (बल) 30 है। इसलिए, चयन सही है।