구조, 구성 요소, 전자 배선, 유지보수성.

기계, 전기, 프로그래밍 및 제어 공학을 통합하는 것은 결코 쉬운 일이 아닙니다. 하지만 기술 발전을 통합하고 이 다섯 가지 영역에 집중하면 과정을 단순화하고 메카트로닉스를 쉽게 활용할 수 있습니다.

오늘날 빠르게 진행되는 제품 개발 주기와 기술의 급속한 발전은 여러 분야에 걸친 엔지니어링의 필요성을 증대시켰습니다. 과거에는 기계 엔지니어는 하드웨어에만, 전기 엔지니어는 배선 및 회로 기판에만, 제어 엔지니어는 소프트웨어 및 알고리즘 프로그래밍에만 집중할 수 있었지만, 메카트로닉스 분야는 이러한 영역들을 통합하여 완벽한 모션 솔루션을 위한 초점을 제공합니다. 세 분야의 발전과 통합은 메카트로닉스 설계를 간소화합니다.

바로 이러한 단순화가 산업 및 제조 분야의 로봇 공학 및 다축 직교 좌표계 시스템, 키오스크 및 배송 시스템과 같은 소비자 시장 자동화, 그리고 3D 프린터의 주류 문화로의 빠른 수용을 이끌고 있습니다.

다음은 메카트로닉스 설계를 더욱 수월하게 만들어주는 다섯 가지 핵심 요소입니다.

1. 통합형 선형 가이드 및 구조

기계 설계에서 베어링과 선형 가이드 어셈블리는 오랫동안 사용되어 왔기 때문에 모션 시스템의 역학적 측면은 종종 부차적인 고려 사항으로 여겨지곤 합니다. 그러나 재료, 설계, 기능 및 제조 방법의 발전으로 새로운 옵션을 고려해 볼 가치가 생겼습니다.

예를 들어, 제조 과정에서 평행 레일에 미리 설계된 정렬 기능을 내장하면 부품 수가 줄어들고 정밀도가 높아지며 레일 전체 길이에 걸쳐 변수가 감소하여 비용이 절감됩니다. 또한 이러한 평행 레일은 여러 개의 체결 부품과 수동 정렬 작업이 필요 없으므로 설치가 간편해집니다.

과거에는 엔지니어가 어떤 선형 가이드 시스템을 선택하든 필요한 강성을 확보하기 위해 장착 플레이트, 지지 레일 또는 기타 구조물을 고려해야 하는 경우가 거의 불가피했습니다. 그러나 최신 부품들은 지지 구조물을 선형 레일 자체에 통합하고 있습니다. 이러한 개별 부품 설계에서 엔지니어링된 일체형 설계 또는 통합 하위 조립품으로의 전환은 부품 수를 줄이는 동시에 비용과 노동력을 절감합니다.

2. 동력 전달 구성 요소

적절한 구동 메커니즘 또는 동력 전달 부품을 선택하는 것 또한 중요한 요소입니다. 모터와 전자 장치를 통해 적절한 속도, 토크 및 정밀 성능의 균형을 맞추는 선택 과정은 각 구동 방식이 어떤 결과를 낼 수 있는지 이해하는 것에서 시작됩니다.

자동차 변속기가 4단 기어로 작동하는 것과 마찬가지로, 벨트 구동 방식은 긴 스트로크 구간에서 최고 속도가 요구되는 용도에 적합합니다. 성능 스펙트럼의 반대편에는 볼 스크류와 리드 스크류가 있는데, 이는 강력하고 반응성이 뛰어난 1단과 2단 기어를 가진 자동차와 유사합니다. 이들은 우수한 토크를 제공하며 빠른 출발, 정지 및 방향 전환에 탁월합니다. 아래 차트는 벨트의 속도와 스크류의 토크 차이를 보여줍니다.

선형 레일 기술의 발전과 마찬가지로, 사전 설계된 정렬 기술 또한 동적 응용 분야에서 반복성을 향상시키기 위해 리드 스크류 설계가 발전한 영역입니다. 커플러를 사용할 때는 모터와 스크류의 정렬에 주의를 기울여 정밀도와 수명을 저하시키는 "흔들림" 현상을 제거해야 합니다. 경우에 따라서는 커플러를 완전히 제거하고 스크류를 모터에 직접 고정하여 기계와 전기 부분을 직접 통합함으로써 부품 수를 줄이고 강성과 정밀도를 높이는 동시에 비용을 절감할 수 있습니다.

3. 전자 장치 및 배선

모션 제어 애플리케이션에 사용되는 기존 전자 장치 구성은 복잡한 배선과 모든 구성 요소를 조립하고 수용하기 위한 캐비닛 및 장착 하드웨어를 포함합니다. 그 결과, 최적화되지 않은 시스템이 될 뿐만 아니라 조정 및 유지 관리가 어려워지는 경우가 많습니다.

새로운 기술은 드라이버, 컨트롤러 및 앰프를 "스마트" 모터에 직접 탑재함으로써 시스템적인 이점을 제공합니다. 추가 부품을 수용하는 데 필요한 공간이 없어질 뿐만 아니라 전체 부품 수가 줄어들고 커넥터 및 배선이 간소화되어 오류 발생 가능성이 감소하고 비용과 노동력을 절감할 수 있습니다.

4. 제조를 위한 설계(DFM)

• 대진표

통합 설계의 레일 조립이 더욱 쉬워지는 것 외에도, 경험과 3D 프린팅과 같은 신기술을 통해 DFM(설계 제조성) 표준에 맞춰 메카트로닉스 및 로봇 어셈블리 프로토타입을 제작할 수 있는 능력이 향상됩니다. 예를 들어, 모션 시스템용 맞춤형 커넥터 브래킷은 기존에는 공구 제작실이나 가공 공장에서 제작하는 데 비용과 시간이 많이 소요되었습니다. 하지만 이제 3D 프린팅을 사용하면 CAD 모델을 생성하고 3D 프린터로 전송하여 훨씬 짧은 시간과 저렴한 비용으로 사용 가능한 모델 부품을 얻을 수 있습니다.

• 커넥터화

이미 다룬 DFM의 또 다른 분야는 전자 장치를 모터에 직접 탑재하여 조립을 간소화하는 스마트 모터의 사용입니다. 이 외에도 커넥터, 케이블, 케이블 관리를 하나의 패키지로 통합한 최신 기술은 조립을 간소화하고 기존의 무겁고 플라스틱 체인 형태의 케이블 캐리어가 필요 없도록 해줍니다.

5. 장기적인 유지보수성

최신 기술과 설계의 발전은 초기 제조 가능성뿐만 아니라 시스템의 지속적인 유지 관리에도 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 컨트롤러와 드라이브를 모터 내부에 탑재하면 필요한 문제 해결이 훨씬 간편해집니다. 모터와 전자 장치에 대한 접근성이 향상되어 깔끔하고 직관적인 접근이 가능해집니다. 또한, 많은 시스템이 네트워크로 연결되어 사실상 어느 위치에서든 원격 진단이 가능해졌습니다.