선형 모션 시스템의 설계 시간 단축

3축 데카르트 갠트리 시스템

내구성과 고성능을 보장하면서 설계 시간을 단축할 수 있습니다.

전체 설계 프로세스는 아니더라도 돌아가서 일부를 반복할 필요가 없도록 처음부터 관련 응용 프로그램 정보를 최대한 많이 캡처하십시오. 범위 변경에 주의하고 대비하세요. 이론적 계산과 분석을 사용하여 최상의 초기 설계를 결정한 다음 이를 실제 장비의 주요 성능 속성에 대한 테스트 측정과 비교합니다. 실제 현장 조건에서 사이클 테스트를 수행하여 벤치 테스트 결과를 확인합니다.

요구 사항 식별

거의 모든 엔지니어링 프로세스의 첫 번째이자 매우 중요한 단계는 애플리케이션 요구 사항을 식별하는 것입니다. 각 제품에는 성능에 영향을 미치는 고유한 기준이 있을 수 있습니다. 체크리스트를 사용하면 간과될 수 있는 매개변수를 고려하는 데 도움이 됩니다.

샘플 체크리스트의 주요 애플리케이션 정보 데이터에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 부하/속도(동적 및 정적)
• 전압: 12, 24, 36, 48VDC, 110, 220, VAC
• 하중 방향
• 스트로크 길이
• 수명/듀티 사이클
• 환경
• 스트로크 종료 보호: 클러치? 리미트 스위치?
• 액츄에이터는 어떻게 제어됩니까?
• 피드백
• UL, CSA, CE
• 기타: 추가 설계 고려 사항은 액추에이터 응용 엔지니어에게 문의하십시오.

특정 용도에 맞는 올바른 볼 스크류 어셈블리를 선택하려면 가장 작은 범위와 가장 비용 효과적인 솔루션을 결정하기 위한 반복적인 프로세스가 필요할 수 있습니다. 설계 하중, 선형 속도 및 위치 정확도 요구 사항은 적합한 볼 스크류 어셈블리의 직경, 리드 및 부하 용량을 계산하는 데 사용됩니다. 그런 다음 수명, 치수 제약, 장착 구성 및 환경 조건에 따라 개별 볼 스크류 구성 요소를 선택할 수 있습니다.

시작하기 좋은 곳은 하중의 방향과 크기를 정의하는 것입니다. 시스템 방향은 매우 중요할 수 있습니다. 수평 방향의 경우 구동 부하는 탑재 중량에 마찰 계수를 곱한 값과 같습니다. 수직 방향에서는 구동 하중이 무게와 동일합니다. 선형 베어링 및 가이드에 작용하는 하중은 수직 하중, 수평 하중, 피치, 롤, 요 모멘트 하중 또는 이들의 조합일 수 있습니다. 하중은 크기와 방향도 다양할 수 있습니다.

전체 시스템 하중 벡터만으로는 예상 수명을 추정할 수 없으므로 각 베어링의 결과 하중 벡터는 선형 베어링 시스템에 적용되는 다양한 하중 벡터의 적절한 조합을 통해 설정되어야 합니다. 각 선형 베어링이 받는 하중을 해당 베어링에 대한 등가 하중이라고 합니다. 그런 다음 가장 무거운 하중을 받는 베어링의 크기를 기준으로 시스템 크기가 결정됩니다. 등가 하중에 대한 계산 방법에 대한 자세한 내용은 선형 베어링 및 가이드 공급업체의 카탈로그를 참조하십시오.

예를 들어 볼 스크류 조립품은 축 방향 하중을 전달하여 회전 운동을 축 운동으로 변환하도록 고안되었습니다. 압축 하중 하에서 좌굴에 저항하는 볼 스크류의 능력을 기둥 강도라고 합니다. 나사는 볼 너트(보완적인 부분)에 전달되는 하중과 크기가 같고 방향이 반대인 축 하중을 전달하며 설계 형상에 따라 구동 모터의 토크와 관련됩니다. 일반적으로 기둥 강도는 제한적인 설계 매개변수입니다. 길이가 길 경우 재료의 실제 압축 강도보다 훨씬 낮을 수 있기 때문입니다. 자유 길이 대 직경 비율은 기둥 좌굴과 밀접하게 관련되어 있으므로 주어진 직경에 대해 볼 스크류의 축방향 하중 용량은 자유 길이에 따라 달라집니다.

선형 모션 시스템의 수명은 작동 프로필을 기반으로 예측할 수 있습니다. 간단히 말해서, 볼 스크류가 하루에 몇 시간, 일주일에 몇 일, 일년에 몇 주 동안 작동되는지입니다. 더 복잡한 애플리케이션이나 더 정교한 수명 예측을 위해서는 움직임을 기본적으로 직선 세그먼트로 분류하는 상세하고 포괄적인 모션 프로필을 구축해야 합니다. 모션 프로필의 각 세그먼트에는 세그먼트 시작과 끝의 속도, 세그먼트 지속 시간, 세그먼트 중 토크에 대한 정보가 필요합니다.

귀하의 응용 분야에 필요한 위치 정확도와 반복성을 결정하십시오. 예를 들어 인치 볼 나사는 일반적으로 Precision과 Precision Plus의 두 가지 등급으로 생산됩니다. 정밀 등급 볼 스크류는 상대적으로 거친 움직임이 필요한 응용 분야나 위치 위치에 대한 선형 피드백을 활용하는 응용 분야에 사용됩니다. Precision Plus 등급 볼 스크류는 미크론 내에서 반복 가능한 위치 지정이 중요하고 선형 피드백 장치가 사용되지 않는 경우에 사용됩니다. Precision 등급 나사는 나사의 유효 길이에 걸쳐 누적 변동이 더 크지만 Precision Plus 등급 나사는 리드 오류의 누적을 제한하여 나사의 전체 유효 길이에 걸쳐 보다 정확한 위치 지정을 제공합니다.

크기 조정 및 선택

선형 모션 시스템 공급업체가 제공하는 차트는 선형 모션 시스템의 적절한 크기 조정 및 선택에 대한 시간을 절약해 주는 지름길일 수 있습니다. 카탈로그 공식(그림 2)을 사용하여 볼 나사를 선택하고 크기를 지정하는 방법을 보여주기 위해 3축 용접 갠트리 애플리케이션을 예로 사용하겠습니다. 볼 스크류는 x축의 전체 길이에 걸쳐 있으며 베어링 지지대에 의해 양쪽 끝에서 지지됩니다. 단순화를 위해 너트 장착을 플랜지로, 재질을 합금강으로, 나사산 방향을 오른쪽으로, 제품 시리즈를 미터법으로 정의하겠습니다. 이 응용 프로그램의 시스템 방향은 수평이며 나사 구동 설계이며 x축 길이는 6미터입니다. 열적으로 안정된 플랜지 양을 가진 고정 끝단을 사용합니다.

2,668.9 뉴턴(600lbs.)의 하중은 프로파일 레일을 타고 있는 캐리지에 의해 적용됩니다. 이동 길이는 4.5m(177.165인치)이고 비지지 길이는 5.818m(229.055인치)입니다. 필요한 속도는 초당 0.1미터(3.927인치/초)이고 ±2.5m/s2(98.4인치/s2)의 가속도가 필요합니다. 근무 주기는 하루 8시간, 주 5일, 연간 50주이며 시간당 평균 10주기입니다. 수명 요구사항은 볼스크류의 경우 20년, 부품의 경우 5년입니다. 추가적인 요구 사항은 전기 공학 부서의 선호로 인해 스테퍼 모터를 사용하는 것입니다.

다음으로 x축에 대한 선형 베어링을 선택합니다. 이 응용 분야의 주요 요구 사항은 높은 하중 용량과 높은 강성입니다. 이 애플리케이션은 5,500미터(18피트)의 상대적으로 긴 이동 거리를 가지고 있습니다. 그러나 6미터 길이의 나사를 사용할 수 있으므로 맞대기 결합이 필요하지 않습니다. 낮은 유지 관리는 이 애플리케이션의 중요한 요구 사항입니다. 그 결과 500 시리즈 볼 프로파일 레일 선형 가이드가 선택되었습니다.

이렇게 선택하면 볼 스크류에 가해지는 하중을 계산할 수 있습니다. 이 하중을 기준으로 NEFF KGF-D 볼 너트가 시작점으로 선택됩니다. 이 볼 너트에는 일체형 플랜지, 일체형 와이퍼 및 DIN 69051 장착 장치가 있습니다. 볼 스크류의 정확도는 ±50 μm/300 mm 정확도입니다.

다음으로 기대수명 요건을 확인합니다. 수명은 일반적으로 L10으로 평가되며, 이는 볼 스크류의 90%가 이후에도 여전히 작동하는 시간을 나타냅니다. 이 응용 프로그램에서 기대 수명은 1,035,752.6년입니다. 수명이 이렇게 높은 이유는 수명보다는 임계속도를 기준으로 볼스크류를 선택했기 때문입니다.

제안된 디자인 테스트

계산을 기반으로 설계를 선택한 후에는 건물이 올바른지 테스트해야 합니다. 테스트는 제안된 내용이 실제로 전달되었는지 확인하고, 그렇지 않은 경우 필요할 수 있는 수정 조치를 안내하기 위해 설계되었습니다. 검증 테스트는 다음과 같은 질문에 답하도록 설계되어야 합니다.

• 완제품이 설계 사양을 충족합니까?
• 성능이 실험적 한계 내에서 이론적인 계산과 일치합니까? 그렇지 않은 경우 얼마나 차이가 나며 그 이유는 무엇입니까?
• 제품이 요구되는 수준의 신뢰성을 제공합니까?
• 제품의 잠재적인 모드와 실패 지점은 무엇입니까?
• 현재 솔루션은 다른 솔루션과 어떻게 비교됩니까?

대형 시스템 및 기계의 경우 구성 요소 테스트부터 시작하여 하위 어셈블리의 벤치 테스트로 이동한 다음 마지막으로 전체 어셈블리 테스트를 수행할 수 있습니다. 테스트의 각 단계에서 테스트 결과를 검토하고 이론적 계산과 비교하여 설계가 올바른 방향으로 진행되고 있는지 확인하거나 합리적인 개선 기회를 고려해야 합니다. 테스트는 우리가 계산과 모델링에서 놓쳤을 수 있는 부분을 밝히기 위한 것입니다.

구성된 선형 모션 시스템

또한 자체적으로 설계하고 조립하는 것보다 구성된 선형 모션 시스템을 구입하는 것이 더 합리적인지 전체 프로세스에서 고려하는 것도 중요합니다. 이 경우 장착 구성, 위치 지정 요구 사항, 환경 조건, 로딩 조건, 이동 요구 사항 및 기타 특별 고려 사항과 같은 애플리케이션 요구 사항을 선형 모션 통합기에 제공합니다. 그런 다음 통합업체는 일반적으로 웹 기반 크기 조정 및 선택 시스템을 활용하여 사용자 입력을 기반으로 맞춤형 선형 모션 시스템을 설계하고 구성합니다. 통합업체는 요청 후 24시간 이내에 제안된 설계의 견적과 CAD 파일을 제공할 수 있는 경우가 많습니다. 이러한 시스템의 비용은 대부분의 경우 개별 구성 요소의 비용보다 저렴합니다.

이 접근 방식은 일반적으로 엔지니어링 시간과 조립 비용을 90% 이상 줄일 수 있으며 종종 재료 비용을 20~30% 절감할 수 있습니다. 가장 중요한 점은 선형 모션 시스템 설계에 소요되는 시간을 줄임으로써 엔지니어가 핵심 역량 이외의 영역에서 작업하는 시간을 줄이고 자신이 가장 잘하는 일, 즉 전체 시스템 통합에 더 많은 시간을 집중할 수 있다는 것입니다.

요약하면 모든 유용한 리소스를 활용하여 설계 시간을 절약하세요. 엔지니어링 및 조립 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 구성된 선형 모션 어셈블리를 제공하는 선형 모션 공급업체의 능력을 간과하지 마십시오. 설계 및 조립 시간에 미치는 영향 측면에서 구성 요소, 모듈, 전체 시스템 구매의 대안을 평가합니다. 차트, 공식, 온라인 선택 시스템, 3D 모델 등 사용 가능한 모든 디자인 도구를 유리하게 활용하세요. 마지막으로 기술 지원을 받아 표준, 수정된 표준 및 특수 솔루션에 대한 제품 전문 지식을 활용하십시오. 공급업체가 설계 주장과 설계 입장을 뒷받침하는 설계 검증/테스트/분석 데이터를 가지고 있는지 확인하십시오. 이 접근 방식을 사용하면 선형 모션 시스템이 성능 및 내구성 요구 사항을 충족하도록 보장하면서 설계 시간을 최소한으로 줄일 수 있습니다.

게시 시간: 2022년 3월 28일

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