선형 모션 시스템의 설계 시간 단축

3축 직교 갠트리 시스템

내구성과 고성능을 보장하는 동시에 설계 시간을 단축할 수 있습니다.

설계 과정 전체를 다시 검토하거나 반복하지 않도록 처음부터 관련 응용 정보를 최대한 많이 확보하십시오. 범위 변경에 대비하고 주의를 기울이십시오. 이론적 계산과 분석을 통해 최적의 초기 설계를 결정한 후, 실제 장비에서 주요 성능 속성에 대한 시험 측정값과 비교하십시오. 실제 현장 조건에서 사이클 시험을 수행하여 벤치 테스트 결과를 확인하십시오.

요구 사항 식별

거의 모든 엔지니어링 프로세스에서 첫 번째이자 매우 중요한 단계는 애플리케이션 요구 사항을 파악하는 것입니다. 각 제품마다 성능에 영향을 미치는 고유한 기준이 있을 수 있습니다. 체크리스트를 사용하면 간과하기 쉬운 매개변수를 고려하는 데 도움이 됩니다.

샘플 체크리스트의 주요 애플리케이션 정보 데이터는 다음과 같습니다.

• 부하/속도(동적 및 정적)
• 전압: 12, 24, 36, 48 VDC, 110, 220, VAC
• 하중의 방향
• 스트로크 길이
• 수명/듀티 사이클
• 환경
• 스트로크 종료 보호: 클러치? 리미트 스위치?
• 액추에이터는 어떻게 제어되나요?
• 피드백
• UL, CSA, CE
• 기타: 추가적인 설계 고려 사항에 대해서는 액추에이터 애플리케이션 엔지니어에게 문의하세요.

특정 용도에 적합한 볼 스크류 어셈블리를 선택하려면 최소 외형과 가장 비용 효율적인 솔루션을 결정하기 위한 반복적인 과정이 필요할 수 있습니다. 설계 하중, 선속도 및 위치 정확도 요구사항을 사용하여 적합한 볼 스크류 어셈블리의 직경, 리드 및 하중 용량을 계산합니다. 그런 다음 수명, 치수 제약 조건, 장착 구성 및 환경 조건을 기반으로 개별 볼 스크류 부품을 선택할 수 있습니다.

하중의 방향과 크기를 정의하는 것부터 시작하는 것이 좋습니다. 시스템 방향은 매우 중요할 수 있습니다. 수평 방향의 경우 구동 하중은 탑재 중량에 마찰 계수를 곱한 값과 같습니다. 수직 방향의 경우 구동 하중은 중량과 같습니다. 선형 베어링과 가이드에 작용하는 하중은 수직 하중, 수평 하중, 피치, 롤, 요 모멘트 하중 또는 이들의 조합일 수 있습니다. 하중은 크기와 방향도 다양할 수 있습니다.

각 베어링의 결과 하중 벡터는 선형 베어링 시스템이 받는 다양한 하중 벡터의 적절한 조합을 통해 결정되어야 합니다. 전체 시스템 하중 벡터만으로는 수명을 예측할 수 없기 때문입니다. 각 선형 베어링이 받는 하중을 해당 베어링의 등가 하중이라고 합니다. 시스템은 가장 무거운 하중을 받는 베어링의 크기를 기준으로 크기가 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. 압축 하중 하에서 볼 스크류가 좌굴에 저항하는 능력을 컬럼 강도라고 합니다. 스크류는 볼 너트(보조 부품)에 가해지는 하중과 크기가 같고 방향이 반대인 축 방향 하중을 지지하며, 설계 형상에 따라 구동 모터의 토크와 관련이 있습니다. 일반적으로 컬럼 강도는 제한 설계 매개변수입니다. 길이가 길어질수록 재료의 실제 압축 강도보다 훨씬 낮아질 수 있기 때문입니다. 자유 길이 대 직경 비율은 컬럼 좌굴과 밀접한 관련이 있으므로, 주어진 직경에 대해 볼 스크류의 축 방향 하중 용량은 자유 길이에 따라 달라집니다.

선형 운동 시스템의 수명은 작동 프로필을 기반으로 예측할 수 있습니다. 간단히 말해, 볼 스크류가 하루, 주, 그리고 연간 몇 주 동안 작동하는지입니다. 더 복잡한 응용 분야나 더욱 정밀한 수명 예측의 경우, 운동을 기본적으로 직선 구간으로 분할하는 상세하고 포괄적인 운동 프로필을 구축해야 합니다. 운동 프로필의 각 구간에는 구간 시작 및 종료 시의 속도, 구간 지속 시간, 그리고 구간 중 토크에 대한 정보가 필요합니다.

어플리케이션에 필요한 위치 정확도와 반복성을 확인하십시오. 예를 들어, 인치 볼 스크류는 일반적으로 Precision과 Precision Plus의 두 가지 등급으로 생산됩니다. Precision 등급 볼 스크류는 비교적 거친 움직임이 필요하거나 위치 결정에 선형 피드백을 사용하는 어플리케이션에 사용됩니다. Precision Plus 등급 볼 스크류는 미크론 단위의 반복 가능한 위치 결정이 중요하고 선형 피드백 장치를 사용하지 않는 경우에 사용됩니다. Precision 등급 스크류는 스크류의 유효 길이에 걸쳐 누적 편차가 더 큰 반면, Precision Plus 등급 스크류는 리드 오차 누적을 제한하여 스크류의 전체 유효 길이에 걸쳐 더욱 정밀한 위치 결정을 제공합니다.

사이징 및 선택

선형 모션 시스템 공급업체가 제공하는 차트는 선형 모션 시스템의 적절한 크기 조정 및 선정에 소요되는 시간을 절약해 줄 수 있습니다. 3축 용접 갠트리 애플리케이션을 예로 들어 카탈로그 공식(그림 2)을 사용하여 볼 스크류를 선택하고 크기를 조정하는 방법을 보여드리겠습니다. 볼 스크류는 x축 전체 길이를 따라 움직이며 양쪽 끝은 베어링 지지대에 의해 지지됩니다. 편의상 너트 장착은 플랜지, 재질은 합금강, 나사산 방향은 오른손, 제품 시리즈는 미터법으로 정의하겠습니다. 이 애플리케이션의 시스템 방향은 수평이며, 스크류 구동 설계이고 x축 길이는 6미터입니다. 열적으로 안정적인 플랜지 길이를 가진 고정된 끝단을 사용합니다.

2,668.9뉴턴(600파운드)의 하중이 프로파일 레일 위를 지나는 캐리지에 가해집니다. 이동 길이는 4.5m(177.165인치)이고 지지되지 않은 길이는 5.818m(229.055인치)입니다. 필요한 속도는 초당 0.1미터(3.927인치/초)이고, 가속도는 ±2.5m/s²(98.4인치/s²)입니다. 듀티 사이클은 하루 8시간, 주 5일, 연간 50주이며, 시간당 평균 10사이클입니다. 볼 스크류의 수명 요건은 20년, 부품의 수명 요건은 5년입니다. 또한 전기 공학과의 선호에 따라 스테퍼 모터를 사용해야 합니다.

다음으로, x축용 리니어 베어링을 선택합니다. 이 어플리케이션의 주요 요구 사항은 높은 하중 지지력과 높은 강성입니다. 이 어플리케이션은 5,500m(18피트)로 비교적 긴 이동 거리를 가지고 있지만, 6m 길이의 나사를 사용할 수 있어 맞대기 접합이 필요 없습니다. 이 어플리케이션에서는 유지보수가 용이해야 한다는 중요한 요구 사항이 있습니다. 따라서 500 시리즈 볼 프로파일 레일 리니어 가이드를 선택하게 되었습니다.

이 선택을 통해 볼 스크류의 하중을 계산할 수 있습니다. 이 하중을 기준으로 NEFF KGF-D 볼 너트를 시작점으로 선택합니다. 이 볼 너트는 일체형 플랜지, 일체형 와이퍼, 그리고 DIN 69051 마운팅을 갖추고 있습니다. 볼 스크류의 정확도는 ±50μm/300mm입니다.

다음으로, 기대 수명 요건을 확인합니다. 수명은 일반적으로 L10으로 평가되는데, 이는 볼 스크류의 90%가 그 후에도 여전히 작동할 수 있는 시간을 나타냅니다. 이 응용 분야에서 기대 수명은 1,035,752.6년입니다. 수명이 이렇게 긴 이유는 수명보다는 임계 속도를 기준으로 볼 스크류를 선택했기 때문입니다.

제안된 디자인 테스트

계산을 기반으로 설계를 선택한 후에는 전제 조건이 적절한지 확인하기 위한 테스트를 실시해야 합니다. 테스트는 제안된 내용이 실제로 구현되었는지 검증하고, 그렇지 않은 경우 필요한 시정 조치를 안내하기 위해 설계되었습니다. 검증 테스트는 다음과 같은 질문에 답할 수 있도록 설계되어야 합니다.

• 완제품이 설계 사양을 충족합니까?
• 실험적 한계 내에서 성능이 이론적 계산과 일관성이 있습니까? 그렇지 않은 경우 얼마나 차이가 있습니까? 그리고 그 이유는 무엇입니까?
• 제품이 필요한 수준의 신뢰성을 제공합니까?
• 제품의 잠재적인 고장 모드와 고장 지점은 무엇입니까?
• 현재 솔루션은 대안과 비교하면 어떻습니까?

대형 시스템 및 기계의 경우, 하위 어셈블리의 벤치 테스트를 진행하기 전에 구성 요소 테스트부터 시작하고, 마지막으로 전체 어셈블리 테스트를 진행하는 것이 좋습니다. 각 테스트 단계에서 테스트 결과를 검토하고 이론 계산과 비교하여 설계가 올바른 방향으로 진행되고 있는지 확인하거나 합리적인 개선 방안을 고려해야 합니다. 테스트는 계산 및 모델링에서 놓친 부분을 파악하기 위한 것입니다.

구성된 선형 모션 시스템

또한, 전체 프로세스에서 자체 설계 및 조립보다 구성된 선형 모션 시스템을 구매하는 것이 더 합리적인지 여부를 고려하는 것이 중요합니다. 이 경우, 장착 구성, 위치 요구 사항, 환경 조건, 하중 조건, 이동 요구 사항 및 기타 특별 고려 사항과 같은 애플리케이션 요구 사항을 선형 모션 통합업체에 제공해야 합니다. 통합업체는 일반적으로 웹 기반 크기 조정 및 선택 시스템을 활용하여 귀하의 입력을 기반으로 맞춤형 선형 모션 시스템을 설계하고 구성합니다. 통합업체는 귀하의 요청 후 24시간 이내에 제안된 설계의 견적과 CAD 파일을 제공할 수 있습니다. 이러한 시스템의 비용은 대부분의 경우 개별 구성품 비용보다 저렴합니다.

이러한 접근 방식은 일반적으로 엔지니어링 시간과 조립 비용을 90% 이상 절감할 수 있으며, 자재 비용도 20~30% 절감할 수 있습니다. 가장 중요한 점은 선형 모션 시스템 설계에 소요되는 시간을 줄임으로써 엔지니어들이 핵심 역량 외의 영역에서 작업하는 시간을 줄이고, 자신이 가장 잘하는 일, 즉 전반적인 시스템 통합에 더 많은 시간을 집중할 수 있다는 것입니다.

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 간과해서는 안 됩니다. 설계 및 조립 시간에 미치는 영향 측면에서 부품, 모듈, 또는 완전한 시스템 구매의 대안을 평가하십시오. 차트, 공식, 온라인 선택 시스템, 3D 모델 등 사용 가능한 모든 설계 도구를 최대한 활용하십시오. 마지막으로, 기술 지원을 통해 표준, 수정된 표준 및 특수 솔루션에 대한 제품 전문 지식을 활용하십시오. 공급업체가 설계 주장과 설계 입장을 뒷받침할 수 있는 설계 검증/테스트/분석 데이터를 보유하고 있는지 확인하십시오. 이러한 접근 방식은 선형 모션 시스템이 성능 및 내구성 요건을 충족하는 동시에 설계 시간을 최소화할 수 있도록 지원합니다.

게시 시간: 2022년 3월 28일

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