정밀한 작업에 매우 중요한 설계 요소의 사슬에서 다섯 가지 링크를 검토해 보세요.

선형 모션 시스템은 기계 및 전기 기계 요소 사슬에서 가장 취약한 연결 고리의 강도에 따라 결정됩니다. 각 구성 요소와 기능(그리고 설계 결과에 미치는 영향)을 이해하면 의사 결정이 향상되고 최종 설계가 애플리케이션 요구 사항을 완벽하게 충족할 가능성이 높아집니다. 결국 시스템 백래시, 정확도 및 기타 성능 측면은 리드스크류, 백래시 방지 너트, 커플링, 모터 및 제어 전략의 설계 및 제조 요소에서 비롯됩니다.

설계의 모든 단계에 대한 전문 지식을 갖춘 선형 모션 공급업체와 협력하는 것이 최고의 설계 성능을 얻는 가장 좋은 방법입니다. 궁극적으로 최적화된 모션 제어 시스템은 모든 요소가 균형 있게 균형을 이루는 고성능 스포츠카와 같습니다. 적절한 크기의 모터 + 적절한 변속기 + 적절한 타이어 + 뛰어난 제어 기능(잠김 방지 브레이크 및 트랙션 컨트롤 등)이 결합되어 뛰어난 성능을 발휘합니다.

최고의 성능을 요구하는 설계의 몇 가지 예를 살펴보겠습니다. 일부 3D 프린팅에서는 층당 해상도가 10µm까지 낮아지고 있습니다. 의료 기기의 경우, 조제 장치는 생명을 구하는 약물을 생산하고 마이크로리터 단위의 용량까지 제어해야 합니다. 이와 같은 엄격한 정확도는 광학 및 스캐닝 장비, 반도체 산업의 칩 및 웨이퍼 처리 장비, 그리고 실험실 자동화 분야에서도 찾아볼 수 있습니다.

부품 선택 및 통합에 대한 전체적인 접근 방식을 기반으로 구축된 선형 모션 설계만이 이처럼 점점 더 높아지는 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이러한 구조에 가장 적합한 솔루션은 적절한 제어 아키텍처를 갖춘 모터 구동식 나사와 너트입니다. 따라서 이러한 유형의 선형 어셈블리에서 각 링크의 주요 고려 사항과 성능 특성을 살펴보겠습니다.

링크 1: 리드스크류와 너트의 품질

리드스크류는 수십 년 동안 다양한 형태와 다양한 너트 디자인, 재질로 사용되어 왔습니다. 그 기간 동안 리드스크류 제조에 사용된 기계는 대부분 수동으로 조정되어 품질이 기계의 성능과 작업자의 숙련도에 따라 제한되었습니다. 오늘날 대부분의 제조업체는 여전히 이러한 유형의 장비를 사용하고 있지만, 최신 자동화 공정은 리드스크류 품질을 한 단계 더 발전시키고 있습니다.

예를 들어, 이러한 작업은 CNC 제어 인피드, 스큐 조정, 그리고 롤스레딩 공정을 위한 압력 제어를 통해 가장 일관된 리드스크류 나사산 형태를 생성합니다. 이러한 리드스크류의 표면 마감은 항상 매끄럽고 폴리머 너트를 찢을 수 있는 표면 마모가 없어 탁월한 시스템 정확도와 수명을 보장합니다.

동시에, 리드스크류 나사산의 형태와 모양을 추적하는 첨단 계측 및 검사 기술은 기존 수동 방식보다 최대 3배 향상된 점대점 리드 정확도를 제공합니다. 이를 통해 나사 길이 전체에 걸쳐 리드 정확도를 0.003인치/피트(약 0.003인치/피트)까지 일관되게 유지합니다.

축을 따라 물체를 점대점 이동시키는 이송형 어플리케이션의 경우, 300mm 또는 6인치마다 리드 정확도를 점검하는 기존 방식이 적합합니다. 하지만 초정밀 어플리케이션의 경우, 각 축 나사산의 정확도가 중요합니다. 적합한 나사산 형상에서 벗어난 편차를 나사산의 드렁큰니스(drunkenness)라고 합니다.

새롭게 자동화된 CNC 제조 장비, 공정 및 정밀 검사 방법은 더욱 엄격한 제어와 품질을 제공하여 개별 나사산 내의 고점과 저점의 회전 정확도가 크게 향상됩니다. 즉, 취함(drinkenness)이 감소합니다. 이는 리드스크류의 단일 회전 위치 반복성을 1µm로 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 반도체 산업에서 고가의 웨이퍼 및 칩을 처리하거나 주사기 펌프에서 약물을 정확하게 분배하는 것과 같은 응용 분야에서 특히 중요한 성능 지표입니다.

나사 전조 후, 고급 나사 공급업체는 진동, 소음 및 조기 마모를 유발할 수 있는 오차와 흔들림을 최소화하기 위해 자동화된 나사 축 교정기를 사용하여 나사 축을 교정합니다. 나사 축의 직진도는 모터와 조립할 때 오차가 더욱 커지기 때문에 매우 중요합니다. 반면, 기존의 (수동) 나사 교정 방법은 나사 축 형상에 스노우콘 효과를 발생시킬 수 있습니다. 즉, 긴 축축을 따라 나선형으로 휘어지는 단일 아치 또는 여러 아치 형태가 나타날 수 있습니다. 다시 말해, 자동화된 교정 및 검사는 이러한 오차를 제거하여 안정적인 나사 성능을 보장합니다.

리드스크류 생산의 마지막 단계는 PTFE 코팅입니다. 일관되고 매끄러운 마감만이 긴 수명과 시스템 성능을 보장합니다. PTFE 코팅 환경이나 장비의 부적절한 사용으로 인해 코팅이 일정하지 않으면 피팅, 균열, 기포, 박리 또는 표면 거칠기가 발생하여 너트의 조기 마모와 조립 수명 단축을 초래할 수 있습니다.

링크 2: 너트와 나사의 상호 작용

기존의 안티 백래시 너트는 다중 부품 설계를 사용하는데, 이는 코일 스프링이 콜렛을 너트를 따라 선형적으로 움직여 핑거를 닫고 나사와 너트 사이의 맞춤을 제어해야 하기 때문입니다.

이러한 설계의 실패 원인으로는 스프링의 불규칙적이고 가변적인 힘, 너트에 작용하는 콜릿의 스틱 슬립 현상, 그리고 너트 재질 마모에 따른 압력 변동 등이 있습니다. 이와는 대조적으로, 일정한 힘을 전달하도록 설계된 한 가지 대안 너트는 너트 핑거에 방사형으로 압력을 가하는 단순화된 2피스 설계를 포함하고 있는데, 이는 너트와 나사 사이의 유격이나 틈새를 제어하는 ​​데 필요한 방향입니다.

백래시 방지 리드스크류 너트에 사용되는 기존 코일 스프링과 콜릿 설계를 생각해 보겠습니다. 여기서 가변력 코일 스프링은 축방향 힘을 생성하고, 이 힘은 기계적 간섭을 통해 반경 방향 힘으로 변환됩니다. 이 설계는 사출 성형 부품을 사용하여 핑거에 균등한 힘을 가합니다. 벤치마크 테스트를 통해 예압이 최초 1,000 사이클 동안 크게 변하는 것을 확인할 수 있습니다.

반면, 특정 일정 하중 안티백래시 리드스크류 너트는 실험실 자동화 고객의 FDA 테스트를 통해 검증된 기존 설계보다 2~4배 더 뛰어난 백래시 성능을 제공합니다. 일정 하중 스프링 설계는 축 수명 동안 일관된 예압을 보장합니다. PTFE가 함유된 자체 윤활 너트 소재는 윤활성과 향상된 효율을 제공합니다.

정하중 백래시 방지 리드스크류 너트의 가장 큰 장점 중 하나는 스프링 및 기타 매개변수를 조정하여 용도에 맞게 튜닝할 수 있다는 것입니다. 이러한 튜닝을 통해 예압, 백래시, 항력 및 작동 간극을 최적화하여 필요한 사양을 충족할 수 있습니다. 각 나사와 너트 조합, 그리고 풀업 모터와 나사 어셈블리는 검증 및 최종 검사 과정에서 이러한 성능 특성에 대해 테스트할 수 있습니다.

링크 3: 드라이브에 연결 또는 직접 연결

다음 단계는 나사를 모터에 연결하는 방법입니다. 이를 달성하는 데는 세 가지 기본 방법이 있습니다.

첫 번째는 가장 전통적인 방식으로, 나사와 연장 스터드 샤프트가 있는 모터 사이에 커플러를 부품으로 조립품에 삽입하는 방식입니다. 이 설계는 커플러와 관련 부착물 하우징의 길이에 비해 더 많은 공간을 필요로 하며, 정렬 문제도 발생할 수 있습니다. 부품 수가 증가함에 따라 모든 부품을 중심선에 맞추기가 더 어려워집니다. 하나 이상의 부품이 원형 또는 정렬 상태가 아닐 경우, 캠 형태의 효과가 발생하여 시스템 성능과 수명에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

두 번째 방법은 나사를 테이퍼 보어에 삽입하여 볼트로 (뒤에서) 기계적으로 고정하는 것입니다. 이러한 조립 방식은 잦은 유지 보수가 필요한 모터에서 흔히 볼 수 있으며, 분해 및 재조립도 빠르게 수행할 수 있습니다. 단점은 정렬을 유지하기 어렵고, 나사 길이에 따라 부정확성을 증폭시키는 스노우콘 효과가 발생할 수 있다는 것입니다. 또한, 이러한 스노우콘 흔들림은 나사의 마모 지점을 발생시켜 유지 보수 필요성과 조기 시스템 고장을 초래할 수 있습니다.

세 번째 방법은 모터 내부의 중공축에 나사를 직접 끼우고 모터 뒷면에 레이저 용접으로 나사를 고정하는 것입니다. 이 방법은 나사와 모터의 결합을 최대한 정확하게 하여 정렬 정확도를 극대화합니다. 경우에 따라 용접 부분을 산업용 접착제로 대체하여 나사와 모터를 영구적으로 접착할 수 있습니다. 또한, 이 조립 방식은 나사의 흔들림을 최소화하여 최고 수준의 정확도를 제공하여 수명을 연장하고 유지 보수 필요성을 최소화합니다.

리드스크류, 너트, 커플링 정렬을 최적화하면 전체 시스템의 수명이 연장됩니다. 시스템의 다른 요소와 비교하기 위한 기준으로, 다양한 방향과 리드, 그리고 다양한 하중과 속도로 테스트를 진행했습니다. 그 결과, 베어링 수명은 표준 L10 베어링 수명보다 40배 더 긴 것으로 나타났습니다.

다시 말해, 기존의 모터-리드스크류 구성은 조립이 필요하고 정렬이 어려운 여러 부품을 포함합니다. 이러한 구성은 유격과 공차 누적을 유발하여 정확도를 저하시키고 고장 가능성을 높입니다. 또한 부품 수가 많으면 전체 조립 비용이 증가합니다. 그러나 통합형 하이브리드 리니어 액추에이터 구성은 모터에 직접 정렬되고 고정되는 리드스크류를 포함하므로 부품 수가 줄어듭니다. 이를 통해 강성, 정확도, 신뢰성이 향상될 뿐만 아니라 전반적인 설계 가치도 향상됩니다.

링크 4: 모터 유형 및 설계 선택

선형 액추에이터는 다양한 모터 옵션을 제공하며, 가장 일반적인 모터 옵션은 개방 루프 스테퍼 모터, 보드 장착형 제어 또는 산업용 스마트 스테퍼 모터를 사용하는 폐쇄 루프 모터, 그리고 마지막으로 브러시리스 DC(BLDC) 모터입니다. 각 모터는 고유한 성능, 즉 속도 및 부하 용량을 가지고 있으며, 비용, 통합, 제어 등 각 모터의 장단점을 가지고 있습니다. 이에 대해서는 나중에 자세히 다루겠습니다.

모터의 선형 운동 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 모터 내부 설계를 자세히 살펴봐야 합니다. 일반적인 범용 모터는 베어링과 어셈블리를 고정하기 위해 물결 모양 와셔를 사용합니다. 이는 일반적으로 회전 응용 분야에 적합하며, 선형 응용 분야에도 종종 적용될 수 있습니다. 그러나 물결 모양 와셔는 모터 내부에 일정 수준의 유연성을 부여하여 축 방향 또는 선형 방향의 미세한 유격을 유발하고, 이는 선형 위치의 부정확성으로 이어질 수 있습니다.

이를 완화하기 위해 설계에서 두 요소 중 하나 또는 둘 다를 수정할 수 있습니다. 더 큰 베어링을 삽입하여 어셈블리의 추력 하중 용량을 증가시킬 수 있으며, 스패너 너트를 추가하고 미리 정해진 토크 사양으로 조정하여 시스템의 유격을 줄일 수 있습니다.

링크 5: 제어 옵션 선택

모든 요소를 ​​하나로 묶는 마지막 연결 고리는 물리적 선형 운동을 어떻게 유도하고 제어할 것인가입니다. 전통적으로 이를 위해서는 증폭기와 컨트롤러를 포함한 여러 개의 개별 부품이 필요했습니다. 각 부품에는 캐비닛과 관련 하드웨어, 배선, 인코더, 그리고 피드백을 위한 센서가 필요했습니다. 이러한 설정은 설치, 문제 해결, 그리고 작동이 복잡하고 번거로울 수 있습니다.

기성품 스마트 모터 솔루션의 등장으로 배선이 간소화되고 스텝 서보 방식의 성능 및 제어를 확보하는 데 필요한 커넥터와 센서 수가 감소했습니다. 이를 통해 부품 수 감소는 물론 설치 시간과 인력 절감으로 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 또한, 이 모터는 IP65 또는 IP67 등급으로 보드와 제어 장치를 오용이나 오염으로부터 보호하는 사전 조립형 산업용 패키지로 제공됩니다.

애플리케이션에 특정 맞춤형 기능이 필요하거나, 공간 및 크기 고려 사항이 최소화되었거나, 또는 저렴한 비용이 중요한 경우, 맞춤형 비캡슐형 IP20 모터 장착 보드 제어가 유용한 옵션입니다. 특히 스타일리시한 하우징이나 장비에 배치되는 대량 애플리케이션에 적합합니다. 이러한 액추에이터는 스마트 모터의 장점을 제공하며(일반적으로 상당한 비용 절감 효과), 모터에서 직접 제어하여 마스터 또는 PLC와의 통신을 더욱 쉽고 빠르게 합니다.