정밀 작동에 매우 중요한 설계 요소 체인의 다섯 가지 연결 고리를 검토하십시오.

선형 운동 시스템의 성능은 기계 및 전기 기계 요소로 이루어진 구성 요소 중 가장 취약한 부분의 강도에 달려 있습니다. 각 구성 요소와 특징(그리고 설계 결과에 미치는 영향)을 이해하면 의사 결정이 향상되고 최종 설계가 적용 분야의 요구 사항을 완벽하게 충족할 가능성이 높아집니다. 결국 시스템의 백래시, 정확도 및 기타 성능 측면은 리드스크류, 백래시 방지 너트, 커플링, 모터 및 제어 전략의 설계 및 제조 요소에서 비롯됩니다.

선형 모션 설계의 모든 단계에 전문성을 갖춘 공급업체와 협력하는 것이 최고의 성능을 구현하는 가장 좋은 방법입니다. 궁극적으로 최적화된 모션 제어 시스템은 모든 요소가 균형 있게 조화를 이룬 고성능 스포츠카와 같습니다. 적절한 크기의 모터, 적절한 변속기, 적절한 타이어, 그리고 뛰어난 제어 기능(예: ABS 및 트랙션 컨트롤)이 결합되어 최고의 성능을 발휘하는 것입니다.

최고 수준의 성능이 요구되는 설계 사례를 몇 가지 살펴보겠습니다. 일부 3D 프린팅 기술에서는 레이어 해상도가 레이어당 10µm까지 낮아지고 있습니다. 의료 기기에서는 생명을 구하는 약물을 투여하는 장치가 마이크로리터 단위까지 정밀하게 용량을 제어해야 합니다. 이와 같은 높은 정밀도는 광학 및 스캐닝 장비, 반도체 산업의 칩 및 웨이퍼 가공 장비, 그리고 실험실 자동화 분야에서도 찾아볼 수 있습니다.

부품 선정 및 통합에 대한 전체적인 접근 방식을 통해 설계된 선형 운동 장치만이 이러한 점점 높아지는 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이러한 장치에 가장 적합한 솔루션은 종종 적절한 제어 아키텍처를 갖춘 모터 구동식 스크류 및 너트 방식입니다. 따라서 이러한 유형의 선형 조립체의 각 링크에 대한 주요 고려 사항과 성능 특성을 살펴보겠습니다.

첫 번째 링크: 리드스크류 및 너트의 품질

리드스크류는 수십 년 동안 다양한 형태와 너트 설계 및 재질로 사용되어 왔습니다. 그 기간 동안 리드스크류 제조에 사용된 기계는 대부분 수동으로 조정되었기 때문에 품질은 기계의 성능과 작업자의 숙련도에 좌우되었습니다. 오늘날에도 대부분의 제조업체는 여전히 이러한 유형의 장비를 사용하고 있지만, 최신 자동화 공정은 리드스크류의 품질을 한 단계 더 높이고 있습니다.

예를 들어, 이러한 공정에서는 CNC 제어식 이송, 경사 조정 및 압력 제어를 통해 롤 스레딩 공정을 수행하여 가장 일관된 리드스크류 나사산 형상을 구현합니다. 이렇게 제작된 리드스크류의 표면은 일관되게 매끄럽고 폴리머 너트를 손상시킬 수 있는 표면 마모가 없어 탁월한 시스템 정확도와 수명을 제공합니다.

동시에, 리드스크류 나사산의 형태와 모양을 추적하는 첨단 계측 및 검사 기술은 기존의 수동 방식보다 최대 3배 더 뛰어난 지점 간 리드 정밀도를 보여줍니다. 이를 통해 스크류 전체 길이에 걸쳐 리드 정밀도를 0.003인치/피트까지 일관되게 유지할 수 있습니다.

축을 따라 물체를 한 지점에서 다른 지점으로 이동시키는 운송 유형의 응용 분야에서는 300mm(6인치)마다 리드 정밀도를 검사하는 기존 방법으로도 충분합니다. 그러나 최고 수준의 정밀도가 요구되는 응용 분야에서는 각 축 나사산의 정밀도가 매우 중요합니다. 적합한 나사산 형상에서 벗어나는 것을 나사산의 휘어짐(drunkenness)이라고 합니다.

새로운 자동화 CNC 제조 장비, 공정 및 정밀 검사 방법을 통해 더욱 엄격한 제어와 품질 관리가 가능해졌습니다. 그 결과, 개별 나사산 내의 최고점과 최저점의 정밀도가 크게 향상되어 회전 정밀도가 크게 개선되었습니다. 즉, 오차가 훨씬 줄어들었습니다. 이는 리드스크류가 단일 회전 동안 1µm 이내의 위치 반복성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 이러한 정밀도는 반도체 산업에서 고가의 웨이퍼 및 칩을 가공하거나 주사기 펌프를 사용하여 약물을 정확하게 분배하는 등의 응용 분야에서 특히 중요한 성능 지표입니다.

나사산 가공 후, 첨단 스크류 공급업체는 자동화된 장비를 사용하여 스크류 축을 곧게 펴서 진동, 소음 및 조기 마모를 유발할 수 있는 오차와 런아웃을 최소화합니다. 스크류 축의 직진성은 모터와 조립될 때 오차가 더욱 두드러지기 때문에 매우 중요합니다. 반면, 기존의 수동 스크류 교정 방식은 스크류 축의 형상에 눈꽃빙수 효과(snow-cone effect)를 일으킬 수 있는데, 이는 긴 축을 중심으로 나선형으로 휘어진 단일 아치 또는 여러 개의 아치 형태로 나타납니다. 자동화된 교정 및 검사는 이러한 오차를 제거하여 스크류의 안정적인 성능을 보장합니다.

리드스크류 생산의 마지막 단계는 PTFE 코팅을 적용하는 것입니다. 균일하고 매끄러운 표면 마감만이 긴 수명과 시스템 성능을 보장합니다. PTFE 코팅이 고르지 않게 적용될 경우(최적의 코팅 환경이나 장비가 아닌 경우) 표면에 구멍, 균열, 기포, 박리 또는 거칠기가 발생하여 너트의 조기 마모와 조립 수명 단축을 초래할 수 있습니다.

두 번째 링크: 너트와 나사의 상호 작용

기존의 역회전 방지 너트는 코일 스프링을 사용하여 콜릿을 너트를 따라 직선으로 움직여 핑거를 닫고 나사와 너트 사이의 결합을 제어하는 ​​다중 부품 설계를 사용합니다.

이러한 설계의 실패 원인으로는 스프링의 불규칙적이고 가변적인 힘, 너트에 대한 콜릿의 미끄러짐 현상, 그리고 너트 재질 마모에 따른 압력 변동 등이 있습니다. 이와 대조적으로, 일정한 힘을 전달하도록 설계된 대안적인 너트는 단순화된 2피스 구조를 특징으로 하며, 너트와 나사 사이의 간극 또는 유격을 제어하는 ​​데 필요한 방향인 방사형으로 너트 핑거에 압력을 가합니다.

기존의 코일 스프링과 콜릿을 이용한 백래시 방지 리드스크류 너트 설계를 생각해 보겠습니다. 이 설계에서는 가변력 코일 스프링이 축 방향 힘을 발생시키고, 이 힘은 기계적 간섭을 통해 반경 방향 힘으로 변환됩니다. 또한, 사출 성형 부품을 사용하여 힘을 각 핑거에 균등하게 가합니다. 벤치마크 테스트 결과, 처음 1,000회 작동 주기 동안 예압이 급격하게 변하는 것으로 나타났습니다.

반면, 특정 정력식 역회전 방지 리드스크류 너트는 실험실 자동화 고객사의 FDA 테스트에서 검증된 바와 같이 기존 설계보다 2~4배 우수한 역회전 방지 성능을 제공합니다. 정력 스프링 설계는 축의 수명 동안 일정한 예압을 보장합니다. PTFE가 함유된 자가 윤활 너트 재질은 윤활성과 효율성 향상에 기여합니다.

정력식 역회전 방지 리드스크류 너트의 가장 큰 장점 중 하나는 스프링 및 기타 매개변수 조정을 통해 적용 분야에 맞게 미세 조정할 수 있다는 점입니다. 이러한 미세 조정을 통해 예압, 역회전, 항력 및 작동 간극을 최적화하여 요구되는 사양을 충족할 수 있습니다. 각 스크류와 너트 조합, 그리고 완성된 모터와 스크류 어셈블리는 검증 및 최종 검사 과정에서 이러한 성능 특성들을 모두 테스트할 수 있습니다.

세 번째 연결: 드라이브에 직접 연결 또는 커플링 연결

다음 단계는 나사가 모터에 어떻게 고정되는지입니다. 기본적으로 세 가지 방법이 있습니다.

첫 번째는 가장 전통적인 방식으로, 나사와 모터 사이에 커플러를 삽입하는 방식입니다. 이 커플러는 연장형 스터드 샤프트로 구성됩니다. 이 설계는 커플러와 관련 부착 하우징의 길이를 위해 더 많은 공간을 필요로 하며, 정렬 문제도 발생할 수 있습니다. 구성 요소 수가 증가함에 따라 모든 부품을 중심선에 맞추기가 더 어려워집니다. 하나 이상의 구성 요소가 원형이 아니거나 정렬이 어긋나면 캠과 같은 현상이 발생하여 시스템 성능과 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

두 번째 방법은 나사를 테이퍼형 구멍에 삽입한 후 볼트를 사용하여 뒤쪽에서 기계적으로 고정하는 것입니다. 이러한 조립 방식은 잦은 유지보수가 필요한 모터에 흔히 사용되며, 분해 및 재조립이 간편하다는 장점이 있습니다. 하지만 정렬 상태를 유지하기 어렵고, 나사 전체에 걸쳐 오차가 증폭되는 눈덩이 효과(snow-cone wobble)가 발생할 수 있다는 단점이 있습니다. 또한, 이러한 눈덩이 모양의 흔들림은 마모를 유발하여 잦은 유지보수와 시스템 조기 고장의 원인이 될 수 있습니다.

세 번째 방법은 모터 내부의 중공축에 나사를 직접 끼워 넣고 모터 뒷면에 레이저 용접으로 나사를 고정하는 것입니다. 이 방법은 나사와 모터의 결합을 극대화하여 최고의 정밀도를 보장합니다. 경우에 따라 용접 대신 산업용 접착제를 사용하여 나사와 모터를 영구적으로 접착할 수도 있습니다. 이 조립 방식은 나사의 흔들림을 최소화하여 최고의 정밀도를 제공하고, 수명을 연장하며 유지보수 필요성을 최소화합니다.

리드스크류, 너트 및 커플링의 정렬을 최적화하면 전체 시스템의 수명이 연장됩니다. 시스템의 다른 요소와의 비교를 위한 기준으로, 다양한 방향, 리드 길이, 하중 및 속도 범위에서 테스트를 수행했습니다. 그 결과, 이동 수명이 표준 L10 베어링 수명보다 40배 이상 향상된 것으로 나타났습니다.

다시 말해, 기존의 모터-리드스크류 방식은 조립이 필요하고 정렬이 어려운 여러 부품을 포함합니다. 이러한 부품들은 유격과 공차 누적을 유발하여 정확도를 저하시키고 고장 가능성을 높입니다. 또한 부품 수가 많아 전체 조립 비용이 증가합니다. 하지만 통합형 하이브리드 선형 액추에이터 방식은 리드스크류가 모터에 직접 정렬 및 고정되어 있어 부품 수가 적습니다. 이는 강성, 정확도, 신뢰성을 향상시키고 설계 가치를 높여줍니다.

네 번째 단계: 모터 유형 및 설계 선택

선형 액추에이터는 다양한 모터 옵션을 제공하며, 가장 일반적인 모터로는 개루프 스테퍼 모터, 보드 장착형 제어 또는 산업용 케이스에 내장된 스마트 스테퍼 모터를 사용하는 폐루프 버전, 그리고 브러시리스 DC(BLDC) 모터가 있습니다. 각 모터는 속도 및 부하 용량 측면에서 고유한 성능을 제공하며, 비용, 통합, 제어 등과 관련하여 각각 장단점이 있습니다. 이러한 장단점은 나중에 자세히 살펴보겠습니다.

모터의 선형 운동 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소를 파악하려면 모터 내부 설계를 살펴보아야 합니다. 일반적인 범용 모터는 베어링과 어셈블리를 고정하기 위해 웨이브 와셔를 사용합니다. 이는 회전 운동에는 보통 충분하며 선형 운동에도 적용할 수 있는 경우가 많습니다. 그러나 웨이브 와셔는 모터 내부에 어느 정도의 유연성을 제공하여 미세한 축 방향 또는 선형 유격을 유발하고, 이는 결국 선형 위치 측정의 정확도 저하로 이어질 수 있습니다.

이러한 문제를 완화하기 위해 설계에서 두 요소 중 하나 또는 둘 다를 수정할 수 있습니다. 더 큰 베어링을 삽입하여 조립체의 추력 하중 용량을 늘릴 수 있으며, 스패너 너트를 추가하고 미리 정해진 토크 사양으로 조정하여 시스템의 유격을 제거할 수 있습니다.

링크 5: 제어 옵션 선택

모든 요소를 ​​하나로 묶는 마지막 연결 고리는 물리적인 선형 운동을 어떻게 제어하고 방향을 지정할 것인가입니다. 전통적으로 이를 위해서는 증폭기와 컨트롤러를 포함한 여러 개의 개별 장치가 필요했습니다. 각 장치에는 캐비닛과 관련 하드웨어, 배선, 엔코더, 피드백 센서 등이 필요했습니다. 이러한 구성은 설치, 문제 해결 및 작동 측면에서 복잡하고 번거로울 수 있습니다.

기성품 스마트 모터 솔루션의 등장으로 배선이 간소화되고 스텝 서보 모터와 같은 성능 및 제어를 구현하는 데 필요한 커넥터와 센서 수가 줄어들었습니다. 이는 부품 수 감소로 인한 비용 절감은 물론 설치 시간과 인력 절감에도 도움이 됩니다. 또한 이러한 모터는 IP65 또는 IP67 등급의 방수/방진 기능을 갖춘 산업용 패키지로 사전 조립되어 제공되며, 보드와 제어 장치를 외부 충격이나 오염으로부터 보호합니다.

특정 맞춤형 기능이 필요하거나, 공간 및 크기 제약이 있거나, 저비용이 중요한 요소일 경우, 맞춤형 비밀폐형 IP20 모터 장착 보드 제어 방식이 유용한 선택지가 될 수 있습니다. 특히 세련된 디자인의 하우징이나 장비에 대량 생산되는 애플리케이션에 적합합니다. 이러한 액추에이터는 스마트 모터의 장점을 제공하며(일반적으로 상당한 비용 절감 효과), 제어가 모터 자체에서 이루어지므로 마스터 또는 PLC와의 통신이 더욱 쉽고 빠릅니다.