설계 시간 단축은 비용 절감과 제품 출시 기간 단축으로 이어지기 때문에 엔지니어링에서 매우 중요합니다. 설계 시간에는 재설계, 과설계, 범위 확장과 같은 부가가치가 없는 활동이 포함되는 경우가 많은데, 이러한 활동은 모든 적용 기준을 철저히 이해하고, 데이터 수집 장비를 사용하여 구성 요소, 모듈 및 전체 어셈블리에 대한 파라미터 테스트를 통해 계산 및 분석을 검증하고, 예상 성능 결과를 테스트를 통해 입증함으로써 최소화할 수 있습니다.

설계 과정의 일부 또는 전체를 다시 반복해야 하는 상황을 피하려면 초기 단계에서 관련 애플리케이션 정보를 최대한 많이 수집하십시오. 설계 범위 변경 가능성에 유의하고 대비하십시오. 이론적인 계산과 분석을 통해 최적의 초기 설계를 결정한 다음, 실제 장비에서 주요 성능 특성을 측정한 테스트 결과와 비교하십시오. 벤치 테스트 결과를 실제 현장 조건에서 사이클 테스트를 수행하여 검증하십시오.

요구사항 파악

거의 모든 엔지니어링 프로세스의 첫 번째이자 가장 중요한 단계는 애플리케이션 요구 사항을 파악하는 것입니다. 각 제품은 성능에 영향을 미치는 고유한 기준들을 가질 수 있습니다. 체크리스트를 사용하면 간과하기 쉬운 매개변수들을 고려하는 데 도움이 됩니다.

샘플 체크리스트에 포함될 수 있는 주요 지원 정보 데이터는 다음과 같습니다.

• 하중/속도(동적 및 정적)
• 전압: 12, 24, 36, 48V DC, 110, 220V AC
• 하중의 방향
• 스트로크 길이
• 수명/사용 주기
• 환경
• 스트로크 끝단 보호 장치: 클러치? 리미트 스위치?
• 액추에이터는 어떻게 제어될까요?
• 피드백
• CE 인증

특정 용도에 적합한 볼 스크류 어셈블리를 선택하려면 최소 크기와 비용 효율성을 고려한 솔루션을 도출하기 위해 반복적인 과정이 필요할 수 있습니다. 설계 하중, 선속도 및 위치 정확도 요구 사항을 사용하여 적합한 볼 스크류 어셈블리의 직경, 리드 및 하중 용량을 계산합니다. 그런 다음 수명, ​​치수 제약, 장착 구성 및 환경 조건을 고려하여 개별 볼 스크류 구성 요소를 선택합니다.

먼저 하중의 방향과 크기를 정의하는 것이 좋습니다. 시스템의 방향은 매우 중요할 수 있습니다. 수평 방향일 경우 구동 하중은 탑재체의 무게에 마찰 계수를 곱한 값과 같습니다. 수직 방향일 경우 구동 하중은 탑재체의 무게와 같습니다. 선형 베어링과 가이드에 작용하는 하중은 수직 하중, 수평 하중, 피치, 롤, 요 모멘트 하중 또는 이들의 조합일 수 있습니다. 하중은 크기와 방향이 다양할 수도 있습니다.

선형 베어링 시스템에 작용하는 다양한 하중 벡터들을 적절히 조합하여 각 베어링에 작용하는 결과적인 하중 벡터를 구해야 합니다. 전체 시스템의 하중 벡터만으로는 수명을 예측할 수 없기 때문입니다. 각 선형 베어링에 작용하는 하중을 해당 베어링의 등가 하중이라고 합니다. 시스템의 크기는 가장 큰 하중을 받는 베어링의 크기를 기준으로 결정됩니다. 등가 하중 계산 방법에 대한 자세한 내용은 선형 베어링 및 가이드 공급업체의 카탈로그를 참조하십시오.

예를 들어, 볼 스크류 어셈블리는 회전 운동을 축 운동으로 변환하여 축 방향 하중을 지지하도록 설계되었습니다. 볼 스크류가 압축 하중을 받을 때 좌굴에 저항하는 능력을 기둥 강도라고 합니다. 스크류는 볼 너트(보완 부품)에 전달되는 하중과 크기는 같고 방향은 반대인 축 방향 하중을 지지하며, 설계 형상에 따라 구동 모터의 토크와 관련됩니다. 일반적으로 기둥 강도는 설계에서 제한적인 매개변수인데, 길이가 길어질수록 재료의 실제 압축 강도보다 훨씬 낮아질 수 있기 때문입니다. 자유 길이 대 직경 비율은 기둥 좌굴과 밀접한 관련이 있으므로, 주어진 직경에서 볼 스크류의 축 방향 하중 지지력은 자유 길이에 따라 달라집니다.

선형 운동 시스템의 수명은 작동 프로파일을 기반으로 예측할 수 있습니다. 간단히 말해, 볼 스크류가 하루에 몇 시간, 일주일에 몇 일, 그리고 1년에 몇 주 동안 가동될지를 고려하면 됩니다. 더 복잡한 응용 분야나 더욱 정밀한 수명 예측을 위해서는 움직임을 기본적으로 직선 구간으로 나누어 상세하고 포괄적인 운동 프로파일을 구축해야 합니다. 운동 프로파일의 각 구간에는 구간의 시작과 끝에서의 속도, 구간 지속 시간, 그리고 구간 동안의 토크에 대한 정보가 필요합니다.

사용하려는 응용 분야에 필요한 위치 정확도와 반복성을 결정하십시오. 예를 들어, 인치 볼 스크류는 일반적으로 정밀(Precision) 등급과 정밀 플러스(Precision Plus) 등급으로 생산됩니다. 정밀 등급 볼 스크류는 비교적 큰 움직임이 필요한 응용 분야 또는 위치 결정에 선형 피드백을 사용하는 응용 분야에 사용됩니다. 정밀 플러스 등급 볼 스크류는 마이크론 단위의 반복적인 위치 결정이 중요하고 선형 피드백 장치를 사용하지 않는 경우에 사용됩니다. 정밀 등급 스크류는 스크류의 유효 길이 전체에 걸쳐 누적 변동이 더 크지만, 정밀 플러스 등급 스크류는 리드 오차의 누적을 제한하여 스크류의 전체 유효 길이에 걸쳐 더 정밀한 위치 결정을 제공합니다.

사이즈 및 선택

선형 모션 시스템 공급업체에서 제공하는 차트는 선형 모션 시스템의 적절한 크기 선정 및 선택에 있어 시간을 절약해주는 지름길이 될 수 있습니다. 3축 용접 갠트리 시스템을 예로 들어 카탈로그 공식을 사용하여 볼 스크류를 선택하고 크기를 결정하는 방법을 설명하겠습니다. 볼 스크류는 x축 전체 길이에 걸쳐 설치되며 양쪽 끝에 베어링 지지대가 있습니다. 편의상 너트 장착 방식은 플랜지형, 재질은 합금강, 나사 방향은 오른손 나사, 제품 시리즈는 미터법으로 정의합니다. 이 시스템의 방향은 수평이며, 스크류 구동 방식이고 x축 길이는 6미터입니다. 열적으로 안정적인 플랜지를 사용하여 끝단을 고정합니다.

프로파일 레일을 따라 이동하는 캐리지에 2,668.9N의 하중이 가해집니다. 이동 거리는 4.5m이고, 지지되지 않은 구간의 길이는 5.818m입니다. 요구되는 속도는 0.1m/s이고, 가속도는 ±2.5m/s²입니다. 가동 주기는 하루 8시간, 주 5일, 연 50주이며, 시간당 평균 10회 가동됩니다. 볼 스크류의 수명은 20년, 구성품의 수명은 5년입니다. 전기공학과에서 스테퍼 모터 사용을 선호하기 때문에 추가적인 요구 사항이 있습니다.

다음으로, X축용 선형 베어링을 선정합니다. 이 애플리케이션의 주요 요구 사항은 높은 하중 지지력과 높은 강성입니다. 이동 거리는 5,500미터로 비교적 길지만, 6미터 길이의 스크류를 사용할 수 있어 맞대기 접합이 필요 없습니다. 또한, 낮은 유지보수 비용도 중요한 요구 사항입니다. 이러한 모든 조건을 고려하여 500 시리즈 볼 프로파일 레일 선형 가이드를 선정했습니다.

이러한 선택이 완료되면 볼 스크류에 가해지는 하중을 계산할 수 있습니다. 이 하중을 기준으로 1610 볼 너트를 시작점으로 선정합니다. 이 볼 너트는 일체형 플랜지, 일체형 와이퍼 및 M4 마운팅을 갖추고 있습니다. 볼 스크류의 정밀도는 ±50 μm/300 mm입니다.

다음으로 수명 기대치 요구 사항을 확인합니다. 수명은 일반적으로 L10으로 표시되는데, 이는 볼 스크류의 90%가 여전히 작동하는 시간을 나타냅니다. 이 적용 사례에서 수명 기대치는 10km입니다. 수명이 이렇게 긴 이유는 수명이 아닌 임계 속도를 기준으로 볼 스크류를 선정했기 때문입니다.

제안된 설계 테스트

계산을 바탕으로 설계를 선택한 후에는 전제 조건이 정확한지 확인하기 위한 테스트를 수행해야 합니다. 테스트는 제안된 내용이 실제로 구현되었는지 검증하고, 그렇지 않은 경우 필요한 시정 조치를 안내하기 위해 설계되었습니다. 검증 테스트는 다음과 같은 질문에 대한 답을 찾도록 설계되어야 합니다.

• 완성품이 설계 사양을 충족합니까?
• 실험적 오차 범위 내에서 성능이 이론적 계산 결과와 일치하는가? 일치하지 않는다면, 얼마나 차이가 나고 그 이유는 무엇인가?
• 해당 제품은 요구되는 수준의 신뢰성을 제공합니까?
• 해당 제품의 잠재적인 고장 발생 원인 및 방식은 무엇입니까?
• 현재 해결책은 다른 대안들과 비교했을 때 어떤 차이가 있습니까?

대형 시스템이나 기계의 경우, 먼저 구성 요소 테스트를 진행한 후 하위 어셈블리의 벤치 테스트를 거쳐 최종적으로 전체 어셈블리 테스트를 진행하는 것이 좋습니다. 각 테스트 단계에서는 테스트 결과를 검토하고 이론적 계산과 비교하여 설계가 올바른 방향으로 가고 있는지 확인하거나 개선할 수 있는 합리적인 기회를 모색해야 합니다. 테스트는 계산 및 모델링 과정에서 놓쳤을 수 있는 부분을 밝혀내는 데 목적이 있습니다.

구성된 선형 운동 시스템

또한 전체 과정에서 직접 설계 및 조립하는 것보다 구성된 선형 모션 시스템을 구매하는 것이 더 나은 선택일 수 있다는 점을 고려하는 것이 중요합니다. 이 경우, 장착 구성, 위치 지정 요구 사항, 환경 조건, 하중 조건, 이동 요구 사항 및 기타 특별 고려 사항과 같은 애플리케이션 요구 사항을 선형 모션 시스템 통합업체에 제공해야 합니다. 그러면 통합업체는 일반적으로 웹 기반 크기 조정 및 선택 시스템을 사용하여 고객의 입력 정보를 바탕으로 맞춤형 선형 모션 시스템을 설계하고 구성합니다. 통합업체는 요청 후 24시간 이내에 견적서와 제안된 설계의 CAD 파일을 제공할 수 있습니다. 대부분의 경우 이러한 시스템의 비용은 개별 구성 요소의 비용보다 저렴합니다.

이러한 접근 방식은 일반적으로 엔지니어링 시간과 조립 비용을 90% 이상 절감할 수 있으며, 재료비 또한 20~30% 절감할 수 있습니다. 무엇보다 중요한 것은 선형 모션 시스템 설계에 소요되는 시간을 줄임으로써 엔지니어들이 핵심 역량 외 영역에 시간을 덜 쓰고, 시스템 통합이라는 본연의 업무에 더욱 집중할 수 있게 된다는 점입니다.

요약하자면, 설계 시간을 절약하기 위해 모든 유용한 리소스를 활용하십시오. 선형 모션 공급업체가 엔지니어링 및 조립 비용 절감에 도움이 되는 구성된 선형 모션 어셈블리를 제공할 수 있다는 점을 간과하지 마십시오. 구성 요소, 모듈, 완제품 시스템 구매 등 각 대안이 설계 및 조립 시간에 미치는 영향을 평가하십시오. 차트, 공식, 온라인 선택 시스템, 3D 모델 등 사용 가능한 모든 설계 도구를 활용하십시오. 마지막으로, 기술 지원을 통해 표준, 수정된 표준 및 특수 솔루션에 대한 제품 전문 지식을 활용하십시오. 공급업체가 설계 주장 및 설계 입장을 뒷받침할 수 있는 설계 검증/테스트/분석 데이터를 보유하고 있는지 확인하십시오. 이러한 접근 방식을 통해 선형 모션 시스템이 성능 및 내구성 요구 사항을 충족하는 동시에 설계 시간을 최소화할 수 있습니다.