정밀한 작동에 매우 중요한 설계 요소 체인의 다섯 가지 링크를 검토합니다.

선형 모션 시스템은 기계 및 전기 기계 요소 체인에서 가장 타협적인 링크만큼만 강력합니다. 각 구성 요소와 기능(및 설계 출력에 미치는 영향)을 이해하면 의사 결정이 향상되고 최종 설계가 애플리케이션 요구 사항을 완전히 충족할 가능성이 높아집니다. 결국, 시스템 백래시, 정확성 및 기타 성능 측면은 리드스크류, 백래시 방지 너트, 커플링, 모터 및 제어 전략의 설계 및 제조 요소에서 추적될 수 있습니다.

모든 설계 링크에 대한 전문 지식을 갖춘 선형 모션 공급업체와 협력하는 것이 최고의 설계 성능을 얻는 가장 좋은 방법입니다. 궁극적으로 최적화된 모션 제어 시스템은 고성능 스포츠카와 같습니다. 모든 요소의 균형이 잘 잡혀 있습니다. 적절한 크기의 모터 + 적절한 변속기 + 적절한 타이어 + 뛰어난 제어 기능(예: 잠김 방지 브레이크 및 견인력 제어) = 훌륭함 성능.

최고의 성능이 필요한 설계의 몇 가지 예를 고려해 보십시오. 일부 유형의 3D 프린팅에서는 레이어 해상도가 레이어당 10μm까지 낮아집니다. 의료 기기에서 조제 장치는 생명을 구하는 약물을 출력하고 복용량을 마이크로리터까지 제어해야 합니다. 광학 및 스캐닝 장비, 반도체 산업의 칩 및 웨이퍼 처리 장비, 연구실 자동화 공간에서도 동일한 유형의 정밀한 정확도를 볼 수 있습니다.

구성 요소 선택 및 통합에 대한 전체적인 접근 방식으로 구축된 선형 모션 설계만이 점점 더 높아지는 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 종종 이러한 빌드에 가장 적합한 솔루션은 적절한 제어 아키텍처를 갖춘 모터 구동 나사 및 너트입니다. 따라서 이러한 유형의 선형 어셈블리의 각 링크에 대한 주요 고려 사항과 성능 특성을 고려해 보겠습니다.

링크 1: 리드스크류 및 너트의 품질

리드스크류는 다양한 너트 디자인과 재료를 사용하여 수십 년 동안 다양한 형태로 사용되어 왔습니다. 그 기간 동안 리드스크류 제조에 사용되는 기계는 수동으로 조정되어 품질이 기계 성능과 작업자의 기술 수준으로 제한되었습니다. 오늘날 대부분의 제조업체는 여전히 이러한 유형의 장비를 사용하지만 현대의 자동화 프로세스는 리드스크류 품질을 한 단계 끌어올리고 있습니다.

예를 들어, 이러한 작업에서는 가장 일관된 리드스크류 스레드 형태를 생성하기 위해 CNC 제어 인피드, 스큐 조정 및 롤 스레딩 프로세스에 대한 압력 제어를 사용합니다. 이 리드스크류의 표면 마감은 일관되게 매끄러우며 폴리머 너트가 찢어질 수 있는 표면 마모가 없습니다. 전례 없는 시스템 정확도와 수명을 제공합니다.

동시에 리드스크류 스레드의 형태와 모양을 추적하는 고급 계측 및 검사 기술은 기존 수동 방법보다 최대 3배 더 나은 지점 간 리드 정확도 결과를 보여줍니다. 이는 나사 길이에 걸쳐 리드 정확도를 0.003인치/피트까지 지속적으로 유지합니다.

축을 따라 일부 물체를 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 운송 유형 애플리케이션의 경우 300mm 또는 6인치마다 리드 정확도를 확인하는 기존 방법이 적합합니다. 그러나 가장 정밀한 응용 분야의 경우 각 샤프트 나사산의 정확도가 중요합니다. 적합한 실 형상에서 벗어나는 것을 실의 취함이라고 합니다.

새로운 자동화된 CNC 제조 장비, 프로세스 및 세부적인 검사 방법을 통해 더욱 엄격한 제어와 품질이 생성되어 개별 스레드 내의 고점 및 저점에서 서브 회전 정확도가 크게 향상되었습니다. 즉, 음주량이 줄어듭니다. 이는 결과적으로 리드스크류가 단일 회전에 걸쳐 위치 반복성을 1μm까지 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 반도체 산업을 위한 값비싼 웨이퍼와 칩을 처리하고 주사기 펌프에 약품을 정확하게 분배하는 등의 응용 분야에서 특히 중요한 성능 지표입니다.

스레드 롤링 후 고급 스크류 공급업체는 진동, 소음 및 조기 마모를 유발할 수 있는 오류와 런아웃을 최소화하기 위해 자동화된 스크류 샤프트를 직선화합니다. 나사축의 직진성은 모터와 조립할 때 오차가 더욱 두드러지기 때문에 매우 중요합니다. 이와 대조적으로, 전통적인(수동) 나사 교정 방법은 나사 샤프트 형상에 단일 아치 또는 장축 축을 중심으로 나선형으로 고정되는 다중 아치 형태로 스노우 콘 효과를 생성할 수 있습니다. 자동화된 교정 및 검사를 통해 이러한 오류가 제거되어 안정적인 스크류 성능을 얻을 수 있습니다.

리드스크류 생산의 마지막 단계는 PTFE 코팅을 적용하는 것입니다. 일관되고 매끄러운 마감 처리만이 긴 수명과 시스템 성능을 제공합니다. PTFE를 일관되지 않게 도포하면(최적화되지 않은 코팅 환경이나 장비로 인해 발생) 구멍, 균열, 기포, 박리 또는 표면 거칠기가 발생하여 너트가 조기 마모되고 조립 수명이 단축될 수 있습니다.

링크 2: 너트와 나사의 상호 작용

전통적인 백래시 방지 너트는 핑거를 닫고 나사와 너트 사이의 맞춤을 제어하기 위해 너트를 따라 콜릿을 선형으로 이동시키는 코일 스프링이 필요한 다중 조각 설계를 사용합니다.

이러한 설계에서 실패의 원인이 되는 문제는 스프링의 산발적이고 가변적인 힘, 너트에 있는 콜릿의 스틱 슬립, 너트 재료가 마모됨에 따른 압력 변동입니다. 이와 대조적으로, 일정한 힘을 전달하도록 설계된 대체 너트에는 너트와 나사 사이의 간격이나 유격을 제어하는 ​​데 필요한 방향인 방사형 방식으로 너트 핑거에 압력을 가하는 단순화된 2피스 설계가 포함됩니다.

백래시 방지 리드스크류 너트에 대한 기존 코일 스프링 및 콜릿 설계를 고려하십시오. 여기서 가변 힘 코일 스프링은 기계적 간섭을 통해 반경 방향 힘으로 변환되는 축 방향 힘을 생성합니다. 디자인은 사출 성형 부품을 사용하여 손가락에 균등한 힘을 가합니다. 벤치마크 테스트를 통해 예압이 처음 1,000주기 동안 극적으로 변한다는 것을 확인했습니다.

이와 대조적으로 특정 항력 백래시 방지 리드스크류 너트는 실험실 자동화 고객의 FDA 테스트를 통해 검증된 바와 같이 기존 설계보다 2~4배 더 나은 백래시 성능을 제공합니다. 일정한 힘의 스프링 설계는 축 수명 동안 일관된 예압을 보장합니다. 윤활성과 효율성 향상을 위해 PTFE가 포함된 자가 윤활 너트 재질입니다.

항력 백래시 방지 리드스크류 너트의 가장 큰 장점 중 하나는 스프링 및 기타 매개변수를 조정하여 응용 분야에 맞게 조정할 수 있다는 것입니다. 이러한 튜닝을 통해 예압, 백래시, 항력 및 주행 간격을 최적화하여 필요한 사양을 충족할 수 있습니다. 각 나사 및 너트 조합은 각 전체 모터 및 나사 조립품과 함께 검증 및 최종 검사 중에 이러한 각 성능 특성에 대해 테스트될 수 있습니다.

링크 3: 드라이브에 결합 또는 직접 연결

체인의 다음 링크는 나사가 모터에 부착되는 방식입니다. 이를 수행할 수 있는 세 가지 기본 방법이 있습니다.

첫 번째는 확장 스터드 샤프트로 제작된 모터와 나사 사이의 구성 요소로 커플러를 어셈블리에 도입하는 가장 전통적인 방법입니다. 이 디자인은 커플러 및 관련 부착 하우징의 길이에 비해 더 많은 공간이 필요하며 또한 정렬 문제가 발생할 수 있습니다. 구성 요소 수가 증가함에 따라 모든 것을 중앙선에 유지하는 것이 더 어렵습니다. 하나 이상의 구성 요소가 원형 또는 정렬에서 벗어나면 결과적으로 시스템 성능과 수명에 큰 영향을 미치는 캠 유형 효과가 발생할 수 있습니다.

두 번째 방법은 나사를 테이퍼형 보어에 삽입하여 볼트로 나사를 뒤쪽에서 기계적으로 고정하는 것입니다. 이러한 조립은 빈번한 유지 관리가 필요한 모터에서 일반적이며 분해 및 재조립을 위한 빠른 방법입니다. 단점은 정렬을 유지하기 어렵고 나사 길이에 따라 부정확성을 증폭시키는 스노우 콘 효과를 유발할 수 있다는 것입니다. 또한 나사의 스노우 콘 흔들림으로 인해 유지 관리가 필요해지고 조기 시스템 오류가 발생할 수 있는 마모 지점이 생성됩니다.

세 번째 방법은 모터 내부의 중공축에 나사를 직접 끼운 후 모터 뒷면에 레이저 용접으로 나사를 부착하는 것입니다. 이 방법을 사용하면 나사와 모터의 맞춤이 최대화되어 정렬 정확도가 가장 높아집니다. 경우에 따라 용접부는 나사와 모터 사이에 영구적인 결합을 생성하는 산업용 접착제로 대체될 수 있습니다. 또한 이 조립 방법은 나사의 런아웃을 최소화하여 수명을 연장하고 유지 관리 필요성을 최소화함으로써 최고 수준의 정확도를 제공합니다.

리드스크류, 너트 및 커플링 정렬을 최적화하면 전체 시스템의 수명이 연장됩니다. 시스템의 다른 요소와 비교하기 위한 기준으로 다양한 리드와 다양한 로드 및 속도를 사용하여 다양한 방향에서 테스트합니다. 결과는 표준 L10 베어링 수명을 40배 초과하는 수명을 보여주었습니다.

즉, 기존의 모터 및 리드스크류 설정에는 조립이 필요하고 정렬하기 어려운 여러 구성 요소가 포함되어 있습니다. 정확성을 저하시키고 실패 가능성을 높이는 플레이 및 허용 오차 스택업을 도입합니다. 부품 수가 많으면 전체 조립 비용도 높아집니다. 그러나 통합 하이브리드 선형 액추에이터 설정에는 모터에 직접 정렬 및 고정되는 리드스크류가 포함되어 있어 더 적은 수의 구성 요소를 사용할 수 있습니다. 이는 강성, 정확성, 신뢰성뿐만 아니라 전반적인 설계 가치도 향상시킵니다.

링크 4: 모터 유형 및 설계 선택

선형 액추에이터에는 개방형 루프 스테퍼, 보드 장착 제어 장치 또는 산업용으로 내장된 스마트 스테퍼를 사용하는 폐쇄형 루프 버전, 마지막으로 브러시리스 DC(bldc) 모터 등 가장 일반적인 모터 선택과 함께 모터 옵션을 선택할 수 있습니다. 각각에는 고유한 성능 제안이나 속도 및 로드 기능이 있으며 비용, 통합, 제어 등에 대한 장단점도 함께 제공됩니다. 자세한 내용은 나중에 다루겠습니다.

모터의 선형 모션 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 모터 내부 설계의 후드 아래를 살펴보는 것입니다. 일반적인 범용 모터는 물결 모양의 와셔를 사용하여 베어링과 어셈블리를 제자리에 고정합니다. 이는 일반적으로 회전식 애플리케이션에 적합하며 선형에도 적용할 수 있는 경우가 많습니다. 그러나 물결 모양 와셔는 모터 내에서 약간의 축 방향 또는 선형 유격을 유발하여 선형 위치의 부정확성을 초래할 수 있는 일정량의 컴플라이언스를 제공합니다.

이를 완화하기 위해 설계에서 두 요소 중 하나 또는 둘 다를 수정할 수 있습니다. 더 큰 베어링을 삽입하여 어셈블리의 추력 부하 성능을 높일 수 있으며, 스패너 너트를 추가하고 미리 결정된 토크 사양에 맞게 조정하여 시스템에서 유격을 제거할 수 있습니다.

링크 5: 제어 옵션 선택

모든 요소를 ​​하나로 묶는 마지막 연결 고리는 물리적 선형 운동의 방향을 지정하고 제어하는 ​​방법입니다. 전통적으로 이를 위해서는 증폭기와 컨트롤러를 포함한 여러 개의 별도 부품이 필요했습니다. 각각에는 피드백을 위한 캐비닛과 관련 하드웨어, 배선, 인코더 및 센서가 필요합니다. 이러한 설정은 설치, 문제 해결 및 작동이 복잡하고 번거로울 수 있습니다.

기성품 스마트 모터 솔루션의 출현으로 배선을 단순화하고 스텝 서보 유형 성능 및 제어 획득과 관련된 커넥터 및 센서 수를 줄이는 데 도움이 되었습니다. 이는 구성 요소 수가 적고 설치와 관련된 시간과 노동력이 적기 때문에 비용 절감 효과를 제공합니다. 또한 이 모터는 IP65 또는 IP67 등급으로 오용이나 오염으로부터 보드와 제어 장치를 밀봉하고 보호하는 사전 조립된 산업용 패키지로 제공됩니다.

애플리케이션에 특정 맞춤형 기능이 필요하거나 공간 및 크기 고려 사항이 최소화되거나 저렴한 비용이 중요한 드라이버인 경우 캡슐화되지 않은 맞춤형 IP20 모터 장착 보드 제어가 유용한 옵션입니다. 이는 양식화된 하우징이나 장비에 배치된 대용량 애플리케이션의 경우 특히 그렇습니다. 이러한 액추에이터는 스마트 모터의 장점(일반적으로 상당한 비용 절감)을 제공하며 마스터 또는 PLC와의 더 쉽고 빠른 통신을 위해 모터에서 바로 제어가 가능합니다.