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

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उच्च-सटीकता वाली स्थिति निर्धारण प्रणाली इष्टतम रूप से काम करे, प्रणाली को बनाने वाले घटकों - बीयरिंग, 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 असर

इष्टतम सिस्टम कॉन्फ़िगरेशन तय करने के लिए, पहले सिस्टम के यांत्रिक भाग पर विचार करें। रैखिक चरणों के लिए, ये चार सामान्य आधार-और-बेयरिंग डिज़ाइन विकल्प हैं:
• बोल्टन बॉल-बेयरिंग के साथ एल्युमीनियम बेस और स्लाइड।
• एल्युमीनियम या स्टील का आधार और एल्युमीनियम या स्टील का किनारा, स्टील रेल पर चार पुनःपरिसंचरण रोलर-बेयरिंग ब्लॉकों के साथ।
• मीहानाइट कच्चा लोहा आधार और स्लाइड अभिन्न रोलर-बेयरिंग तरीकों के साथ।
• ग्रेनाइट या कच्चा लोहा स्लाइड और एयर बियरिंग के साथ ग्रेनाइट गाइड।

एल्युमीनियम, मीहेनाइट या स्टील से हल्का होता है, लेकिन कम कठोर, कम स्थिर, कम आघात सहने में सक्षम और कम तनाव-प्रतिरोधी होता है। इसके अलावा, एल्युमीनियम तापमान परिवर्तन के प्रति अधिक संवेदनशील होता है। कच्चा लोहा, एल्युमीनियम से 150% अधिक कठोर और कंपन अवशोषक क्षमता में 300% बेहतर होता है। स्टील, लोहे से अधिक टिकाऊ और मजबूत होता है। हालाँकि, इसमें लंबे समय तक बजने वाली ध्वनि होती है, जो तेज़ गति और स्थिरीकरण के लिए हानिकारक है।

एयर बेयरिंग वाले ग्रेनाइट गाइड सबसे मज़बूत और टिकाऊ संयोजन प्रदान करते हैं। ग्रेनाइट को सबमाइक्रोन रेंज में समतलता और सीधापन के लिए पॉलिश किया जा सकता है। ग्रेनाइट टेबल की कमी यह है कि ग्रेनाइट के द्रव्यमान के कारण, इसमें जगह की अधिकता होती है और इसका वजन स्टील या लोहे पर आधारित पोजिशनिंग सिस्टम से ज़्यादा होता है। हालाँकि, बेयरिंग और ग्रेनाइट गाइड सतहों के बीच कोई संपर्क न होने के कारण, इसमें कोई घिसाव नहीं होता है, और एयर बेयरिंग काफी हद तक स्वयं साफ़ हो जाते हैं। इसके अलावा, ग्रेनाइट में उत्कृष्ट कंपन अवमंदन गुण और तापीय स्थिरता होती है।

इसके अलावा, टेबल का डिज़ाइन भी टेबल के समग्र प्रदर्शन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। टेबल कई तरह के विन्यास में उपलब्ध हैं, बोल्ट-टुगेदर इकाइयों से लेकर कई भागों वाली साधारण ढली हुई आधार और स्लाइड तक। पूरी टेबल में एक ही सामग्री का उपयोग आमतौर पर तापमान में बदलाव के प्रति अधिक समान प्रतिक्रिया प्रदान करता है, जिससे एक अधिक सटीक प्रणाली बनती है। रिबिंग जैसी विशेषताएँ डैम्पिंग प्रदान करती हैं, जिससे तेज़ी से सेटलमेंट संभव होता है।

इंटीग्रल तरीकों का बोल्ट-ऑन तरीकों की तुलना में एक फायदा यह है कि लंबे समय के बाद भी प्रीलोड के लिए तरीकों के समायोजन की आवश्यकता नहीं होती है।

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

हालाँकि, बॉल बेयरिंग के घर्षण को सीमित करने वाला छोटा संपर्क क्षेत्र, उसकी भार क्षमता को भी सीमित करता है। रोलर बेयरिंग आमतौर पर बॉल बेयरिंग की तुलना में ज़्यादा समय तक चलते हैं। हालाँकि, रोलर बेयरिंग की कीमत ज़्यादा होती है।

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

एक एयर बेयरिंग विन्यास में लिफ्ट और गाइड बेयरिंग होते हैं जो विपरीत एयर बेयरिंग या गाइडिंग सदस्यों में समाहित उच्च-बल वाले दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों द्वारा पूर्व-लोड किए जाते हैं। यह गैर-संपर्क डिज़ाइन अन्य बेयरिंग डिज़ाइनों के घर्षण से बचाता है। इसके अलावा, एयर बेयरिंग में कोई यांत्रिक घिसाव नहीं होता। इसके अलावा, एयर बेयरिंग को एक-दूसरे से काफी दूरी पर रखा जा सकता है। इस प्रकार, परिणामी ज्यामितीय त्रुटियों का औसत निकाला जाता है, जिससे 1 सेकंड से कम चाप का कोणीय विचलन और 200 मिमी पर 0.25 माइक्रोन से बेहतर सीधापन प्राप्त होता है।

संख्यात्मक मान प्रदान करना कठिन है — वे कई कारकों पर निर्भर करते हैं। उदाहरण के लिए, स्थिति निर्धारण सटीकता न केवल बेयरिंग या गाइड पर निर्भर करती है, बल्कि स्थिति मापन प्रणाली और नियंत्रक पर भी निर्भर करती है। स्थिति निर्धारण प्रणाली में घर्षण न केवल आपके द्वारा चुने गए ड्राइव सिस्टम पर निर्भर करता है, बल्कि बेयरिंग समायोजन, टेबल सीलिंग, स्नेहन आदि पर भी निर्भर करता है। इसलिए, प्राप्त किए जा सकने वाले सटीक मान सभी घटकों के संयोजन पर बहुत हद तक निर्भर करते हैं, जो बदले में अनुप्रयोग पर निर्भर करता है।

ड्राइव सिस्टम

कई प्रकार की ड्राइव प्रणालियों में से - बेल्ट, रैक-एंड-पिनियन, लीड स्क्रू, प्रिसिशन-ग्राउंड बॉल स्क्रू, और लीनियर मोटर - केवल अंतिम दो को ही अधिकांश उच्च-सटीकता पोजिशनिंग प्रणालियों के लिए माना जाता है।

बॉल स्क्रू ड्राइव विभिन्न प्रकार के रिज़ॉल्यूशन, परिशुद्धता और कठोरता विशेषताओं में आते हैं, और उच्च वेग (250 मिमी/सेकंड से अधिक) प्रदान कर सकते हैं। हालाँकि, चूँकि बॉल स्क्रू ड्राइव स्क्रू की महत्वपूर्ण घूर्णी गति द्वारा सीमित होता है, इसलिए उच्च वेग के लिए कम पिच, कम यांत्रिक लाभ और उच्च शक्ति वाली मोटर की आवश्यकता होती है। इसका अर्थ आमतौर पर उच्च बस वोल्टेज वाली उच्च-शक्ति वाली मोटर ड्राइव में बदलाव होता है। बॉल स्क्रू ड्राइव, हालाँकि व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, यांत्रिक बैकलैश, वाइंड-अप, पिच चक्रीय त्रुटियाँ और घर्षण से भी ग्रस्त हो सकते हैं। मोटर और ड्राइव को जोड़ने वाले यांत्रिक युग्मन की कठोरता को भी अनदेखा किया जाता है।

रैखिक सर्वोमोटर में, विद्युत चुम्बकीय बल बिना किसी यांत्रिक संबंध के गतिमान द्रव्यमान से सीधे जुड़ता है। इसमें कोई यांत्रिक हिस्टैरिसीस या पिच चक्रीय त्रुटि नहीं होती। 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 कितनी अच्छी तरह अपनी स्थिति बनाए रखती है। सामान्यतः, 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 सर्वो का व्यवहार उत्कृष्ट होता है और सेटलमेंट का समय कम होता है। मोटर और स्लाइड के बीच कोई यांत्रिक जुड़ाव न होने के कारण, स्लाइड स्थिति आदेशों में परिवर्तन पर तेज़ी से प्रतिक्रिया करती है। इसके अलावा, चूँकि बॉल स्क्रू की कोई "रिंगिंग" नहीं होती, इसलिए तेज़ गति और सेटलमेंट का समय प्राप्त किया जा सकता है।

एक ब्रशलेस रैखिक मोटर में मशीन बेस पर लगी एक स्थायी चुंबक असेंबली और स्लाइड पर लगी एक कुंडली असेंबली होती है। कुंडली असेंबली और चुंबकों के बीच लगभग 0.5 मिमी का अंतर रखा जाता है। दोनों असेंबलियों के बीच कोई भौतिक संपर्क नहीं होता है।

चल कुंडली संयोजन के केंद्र में अतिव्याप्त और विद्युतरोधी तांबे की कुंडलियों की एक श्रृंखला होती है। इन्हें त्रि-चरणीय संचालन के लिए परिशुद्धता से लपेटा और पिच किया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक कम्यूटेशन के लिए हॉल प्रभाव सेंसरों की एक श्रृंखला का उपयोग किया जाता है। कम्यूटेशन इलेक्ट्रॉनिक्स का डिज़ाइन नगण्य बल तरंग के साथ गति प्रदान करता है। चूँकि कम्यूटेशन यांत्रिक के बजाय इलेक्ट्रॉनिक होता है, इसलिए कम्यूटेशन आर्किंग समाप्त हो जाती है।

ये गुण एक रैखिक सर्वोमोटर को उच्च त्वरण (मान लीजिए 2.5 मीटर/सेकंड या अधिक), उच्च वेग (मान लीजिए 2 मीटर/सेकंड या अधिक), या सटीक वेग नियंत्रण की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में उपयोगी बनाते हैं, यहाँ तक कि बहुत कम गति (मान लीजिए केवल कुछ मिमी/सेकंड) पर भी। इसके अलावा, ऐसी मोटर को किसी स्नेहन या अन्य रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है और इसमें कोई टूट-फूट नहीं होती है। किसी भी अन्य मोटर की तरह, ऊष्मा अपव्यय के कारण, निरंतर बल या धारा का rms मान लंबी अवधि के लिए स्वीकार्य मानों से अधिक नहीं होना चाहिए।

आप 25 से 5,000 N से अधिक के निरंतर चालन बल वाले रैखिक सर्वोमोटर प्राप्त कर सकते हैं। अधिकांश बड़ी मोटरों में वायु या जल शीतलन होता है। उच्च चालन बल प्राप्त करने के लिए कई रैखिक मोटरों को समानांतर या श्रेणीक्रम में जोड़ा जा सकता है।

चूँकि मोटर और स्लाइड के बीच कोई यांत्रिक संबंध नहीं होता, इसलिए बॉल स्क्रू जैसी यांत्रिक कमी नहीं होती। भार मोटर पर 1:1 के अनुपात में स्थानांतरित होता है। बॉल स्क्रू ड्राइव में, स्लाइड पर मोटर पर भार जड़त्व, कमी अनुपात के वर्ग से कम हो जाता है। यह रैखिक मोटर ड्राइव को बार-बार भार परिवर्तन वाले अनुप्रयोगों के लिए कम उपयुक्त बनाता है, जब तक कि आप ऐसा नियंत्रक न चुनें जिसे आप प्रभावी सर्वो क्षतिपूर्ति प्राप्त करने के लिए विभिन्न भारों के अनुरूप मोटर नियंत्रण मापदंडों के विभिन्न सेटों के साथ प्रोग्राम कर सकें।

कई ऊर्ध्वाधर अनुप्रयोगों के लिए, बॉल स्क्रू ज़्यादा आसान और किफ़ायती होता है—गुरुत्वाकर्षण को संतुलित करने के लिए रैखिक मोटर को लगातार चालू रखना ज़रूरी होता है। इसके अलावा, बिजली बंद होने पर एक इलेक्ट्रोमैकेनिकल ब्रेक टेबल की स्थिति को लॉक कर सकता है। हालाँकि, अगर आप मोटर और भार को स्प्रिंग, काउंटरवेट या एयर सिलेंडर से संतुलित करते हैं, तो आप रैखिक मोटर का इस्तेमाल कर सकते हैं।

शुरुआती लागत में, लीनियर मोटर ड्राइव और बॉल स्क्रू ड्राइव (जिसमें मोटर, कपलिंग, बेयरिंग, बेयरिंग ब्लॉक और बॉल स्क्रू शामिल हैं) के बीच बहुत कम अंतर होता है। सामान्यतः, ब्रश प्रकार की लीनियर मोटर, बॉल स्क्रू ड्राइव की तुलना में थोड़ी सस्ती होती है, और ब्रश रहित संस्करण आमतौर पर थोड़े महंगे होते हैं।

शुरुआती लागत के अलावा और भी बहुत कुछ विचारणीय है। एक अधिक यथार्थवादी तुलना में रखरखाव, विश्वसनीयता, टिकाऊपन और प्रतिस्थापन लागत (श्रम सहित) शामिल हैं। यहाँ, रैखिक मोटर अच्छा प्रदर्शन करती है।

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