सटीक स्वचालित स्थिति निर्धारण के लिए, स्टेपर-मोटर-आधारित रैखिक एक्चुएटर्स पर विचार करें।

रैखिक एक्ट्यूएटर अनिवार्य रूप से एक सीधी रेखा के माध्यम से बल और गति उत्पन्न करते हैं। एक सामान्य यांत्रिक प्रणाली में, एक उपकरण का आउटपुट शाफ्ट गियर, एक बेल्ट और पुली 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 बदतर, वे एक प्रणाली में घर्षण और बैकलैश जैसे पहनने वाले तत्व जोड़ते हैं। बेहतर स्थिति की जरूरतों के लिए, एक अधिक प्रभावी और सीधा विकल्प स्टेपर-मोटर-आधारित रैखिक एक्ट्यूएटर से आता है।

ये उपकरण ऐसी मशीन या तंत्र के डिजाइन को सरल बनाते हैं जिसके लिए सटीक रैखिक स्थिति की आवश्यकता होती है क्योंकि वे मोटर के अंदर सीधे रोटरी-टू-लीनियर रूपांतरण प्रदान करते हैं। एक्ट्यूएटर प्रत्येक विद्युत-इनपुट पल्स के लिए रोटरी गति की एक निश्चित डिग्री को स्थानांतरित करते हैं। यह तथाकथित "स्टेपिंग" सुविधा और एक सटीक लीडस्क्रू का उपयोग सटीक और दोहराए जाने योग्य स्थिति प्रदान करता है।

स्टेपर-मोटर मूल बातें
यह देखने के लिए कि एक्ट्यूएटर कैसे काम करते हैं, स्टेपर मोटर्स की मूल बातें समझना मददगार है। विभिन्न प्रकार के स्टेपर मोटर्स में वेरिएबल रिलेक्टेंस (VR), परमानेंट मैग्नेट (PM) 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। रैखिक एक्ट्यूएटर सिस्टम में, हाइब्रिड ऐसे उपकरणों में पाए जाते हैं जैसेएक्सवाईटेबल, रक्त विश्लेषक, एचवीएसी उपकरण, छोटे गैन्ट्री रोबोट, वाल्व नियंत्रण तंत्र और स्वचालित स्टेज-प्रकाश प्रणाली।

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

लीडस्क्रू झुकाव वाले 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 झुकाव वाला तल लिपटा हुआ है। यांत्रिक लाभ या बल प्रवर्धन रैंप के कोण द्वारा निर्धारित किया जाता है जो स्क्रू व्यास, लीड (एकल चक्कर में स्क्रू थ्रेड आगे बढ़ने वाली अक्षीय दूरी) और पिच (आसन्न थ्रेड रूपों के बीच मापी गई अक्षीय दूरी) का एक कार्य है।

लीडस्क्रू थ्रेड्स एक छोटे घूर्णी बल को एक बड़ी लोड क्षमता में बदल देते हैं, जो रैंप की ढलान (थ्रेड लीड) पर निर्भर करता है। एक छोटा लीड एक उच्च बल प्रदान करता है लेकिन कम रैखिक गति प्रदान करता है। एक बड़ा लीड एक ही रोटरी पावर स्रोत से कम बल लेकिन उच्च रैखिक गति प्रदान करता है। कुछ डिज़ाइनों में, रोटर में एम्बेडेड पावर नट एक बेयरिंग-ग्रेड कांस्य से बना होता है जो आंतरिक थ्रेड्स की मशीनिंग के लिए खुद को उधार देता है। लेकिन कांस्य चिकनाई और शारीरिक स्थिरता के बीच एक इंजीनियरिंग समझौता है। एक बेहतर सामग्री एक चिकनाई वाला थर्मोप्लास्टिक है जिसमें नट-स्क्रू थ्रेड इंटरफ़ेस पर घर्षण का गुणांक बहुत कम होता है।

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

एक सरलीकृत दो-चरण मोटर के लिए "एक चरण चालू" अनुक्रम में, चरण 1 सक्रिय स्टेटर के चरण ए को दर्शाता है। यह चुंबकीय रूप से रोटर को लॉक कर देता है क्योंकि अलग-अलग ध्रुव एक दूसरे को आकर्षित करते हैं। चरण A को चालू करने और B को चालू करने से रोटर 90° दक्षिणावर्त घूमता है (चरण 2)। चरण 3 में, चरण B चालू है और चरण A चालू है, लेकिन चरण 1 से ध्रुवता उलटी है। इससे रोटर 90° और घूम जाता है। चरण 4 में, चरण A को चालू किया जाता है और चरण B को चालू किया जाता है, जिसमें चरण 2 से ध्रुवता उलटी है। इस क्रम को दोहराने से रोटर 90° चरणों में दक्षिणावर्त घूमता है।

"दो चरण चालू" अनुक्रम में, दोनों मोटर चरण हमेशा सक्रिय रहते हैं, और केवल एक चरण की ध्रुवता बदलती है। यह रोटर को "औसत" उत्तर और "औसत" दक्षिण चुंबकीय ध्रुवों के बीच संरेखित करता है। चूँकि दोनों चरण हमेशा चालू रहते हैं, इसलिए यह विधि "एक चरण चालू" चरण की तुलना में 41.4% अधिक टॉर्क प्रदान करती है।

दुर्भाग्य से, हालांकि प्लास्टिक थ्रेड के लिए अच्छा काम करता है, यह हाइब्रिड स्टेपर डिज़ाइन में बियरिंग जर्नल के लिए पर्याप्त स्थिर नहीं है। ऐसा इसलिए है क्योंकि निरंतर पूर्ण-लोड की स्थिति में, प्लास्टिक जर्नल पीतल के जर्नल की तुलना में चार गुना अधिक फैल सकते हैं। यह राशि अस्वीकार्य है क्योंकि मोटर डिज़ाइन के लिए स्टेटर-टू-रोटर एयर गैप केवल एक इंच के कुछ हज़ारवें हिस्से के बराबर होना चाहिए। इस समस्या से निपटने का एक तरीका प्लास्टिक थ्रेड को पीतल की आस्तीन के अंदर इंजेक्शन मोल्ड करना है जिसे स्थायी-चुंबक रोटर में डाला जाएगा। यह दृष्टिकोण मोटर जीवन को बढ़ाता है और बियरिंग-जर्नल स्थिरता बनाए रखते हुए कम घर्षण प्रदान करता है।

हेडन एक्ट्यूएटर्स के विभिन्न प्रकारों में से, "कैप्टिव" डिवाइस में एक अंतर्निहित एंटीरोटेशन तंत्र होता है। यह विन्यास 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 केहेडनरैखिक एक्ट्यूएटर "नॉनकैप्टिव" और "बाहरी रैखिक" होते हैं जो लंबे स्ट्रोक की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होते हैं जैसे कि छोटे गैन्ट्री रोबोट द्वारा रक्त ट्यूबों का स्थानांतरण,एक्सवाईगति प्रणालियाँ, और इमेजिंग प्रणालियाँ।

एक्चुएटर का आकार निर्धारण
एक एप्लीकेशन उदाहरण सबसे अच्छा दिखाता है कि एक्ट्यूएटर का आकार कैसे निर्धारित किया जाए। निम्नलिखित मापदंडों पर विचार करें:

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

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

जीवन की भविष्यवाणी करने का सबसे अच्छा तरीका अनुप्रयोग परीक्षण है, जिसकी अत्यधिक अनुशंसा की जाती है।प्रतिशत भार बनाम चक्रों की संख्यावक्र एक अच्छा पहला 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 घिसाव घटक पावर नट है। इसलिए, डिज़ाइन विनिर्देशों को पूरा करते हुए डिवाइस कितने चक्रों तक चलता है, यह लोड का एक कार्य है।

देखेंप्रतिशत भार बनाम चक्रों की संख्याचार्ट का उपयोग करके एक्ट्यूएटर के लिए 1,000,000 चक्रों का सामना करने के लिए सही आकार निर्धारण कारक निर्धारित करें। यह 50% निकलता है - 0.5 का कारक। इसलिए 1,000,000 चक्रों के बाद लोड को पूरा करने के लिए आवश्यक प्रारंभिक रेटेड बल, N, 15 lb/0.5 = 30 lb या 133 N है।

अब आवश्यक रैखिक यांत्रिक शक्ति को वाट में निर्धारित करें:

P_{रेखीय}= (एन × मीटर)/टी

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

इस डेटा के साथ, का उपयोग करेंएक्चुएटर फ्रेम का आकारसही फ्रेम आकार का चयन करने के लिए तालिका। सभी स्टेपर-मोटर रैखिक एक्ट्यूएटर को मोटर को पल्स भेजने के लिए ड्राइव की आवश्यकता होती है। ध्यान दें कि तालिका में L/R ड्राइव (स्थिर वोल्टेज) और चॉपर ड्राइव (स्थिर धारा) दोनों के लिए पावर सूचीबद्ध है। जब तक कि एप्लिकेशन बैटरी से संचालित न हो (जैसे कि हैंडहेल्ड पोर्टेबल डिवाइस में), 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 सीरीज़ (साइज़ 17 हाइब्रिड) 1.7-W आवश्यकता को सबसे करीब से पूरा करती है। यह चयन सिस्टम को ओवर डिज़ाइन किए बिना लोड आवश्यकताओं को पूरा करता है।

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

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

X-अक्ष मान (पल्स दर) के रूप में 1,041 अंकित करने तथा इस बिंदु से वक्र तक एक लंब रेखा खींचने से पता चलता है कि Y-अक्ष मान (बल) 30 है। इसलिए, चयन सही है।