아무리 정교한 모션 컨트롤러라도 설계가 부실한 전기기계 시스템을 극복할 수는 없습니다.

모션 제어 시스템은 위치 결정 메커니즘, 모터 구동 전자 장치, 모션 컨트롤러의 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 각 구성 요소는 신중하게 선택해야 하지만, 최상의 시스템 성능을 위해서는 위치 결정 메커니즘을 먼저 설계하는 것이 좋습니다. 메커니즘이 요구 사항을 충족하지 못하면 구동 장치와 모션 컨트롤러가 그 부족함을 보완할 수 없기 때문입니다.

모션 시스템 설계의 첫 번째 단계는 프로세스를 완벽하게 설명하고 이해하는 것입니다. 이 설명을 바탕으로 구성 요소의 성능 매개변수 목록을 작성합니다. 이 목록에는 축 개수, 각 축의 이동 거리, 모션 정밀도(해상도, 반복성 및 정확도 포함), 페이로드 용량, 스테이지의 물리적 크기와 같은 1차 매개변수가 포함됩니다. 덜 명확하지만 equally 중요한 매개변수로는 환경적 제약 또는 문제점, 드라이브 선택, 다양한 방향에서의 작동, 다축 구성에서의 케이블 관리, 수명 계획 및 통합 용이성이 있습니다. 이러한 매개변수를 살펴보면 모두 위치 결정 메커니즘과 관련되어 있음을 알 수 있으므로 이러한 구성 요소에 대한 철저한 평가는 프로젝트 성공에 매우 중요합니다.

이 애플리케이션에서는 위치 결정 스테이지가 선형인지, 회전식인지, 아니면 여러 스테이지를 조합하여 다축 시스템을 구성하는지 정의해야 합니다. 비교적 간단한 단축 애플리케이션에서도 고려해야 할 사항이 많습니다. 하중은 이 프로파일에서 매우 중요한 요소인데, 탑재체의 무게와 무게중심의 오프셋과 같은 문제가 동작 요구 사항에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 일반적인 하중과 최대 하중, 스테이지가 이동해야 하는 최대 및 최소 거리, 필요한 이동 속도 및 가속도를 고려해야 합니다.

스테이지는 전체 시스템의 필수적인 부분으로 간주하는 것이 중요합니다. 스테이지의 장착 방식과 장착 구조는 스테이지의 성능과 사양 충족 능력에 지대한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 카메라 아래에서 시료가 빠르게 앞뒤로 진동하는 고속 검사 환경에서는 선형 위치 결정 스테이지를 움직이는 하중으로 인한 "페인트 셰이커 효과"를 견딜 수 있는 구조물에 장착해야 합니다. 마찬가지로, 평탄도 정밀도가 높은 장거리 이동 선형 스테이지는 스테이지가 평평하지 않은 표면에 맞춰 변형되는 것을 방지하기 위해 적절히 평평한 표면에 장착해야 합니다.

스테이지 사양을 정의할 때는 시스템의 수명 요구 사항도 고려해야 합니다. 기계 수명 동안 요구 사항이 변경될 경우, 시스템이 위치 결정 스테이지 허용 오차 범위를 벗어나 기계의 정확도, 생산성 및 신뢰성이 저하될 수 있습니다. 모든 움직이는 부품과 마찬가지로, 위치 결정 기능은 장기간 사용 시 변경될 수 있습니다. 스테이지가 기계의 예상 수명 동안 동작 요구 사항을 충족하도록 설계되었는지 확인하십시오.

시스템의 크기와 환경적 제약 조건 또한 영향을 미칩니다. 수평 및 수직 크기 제약 조건을 모두 고려해야 합니다. 시스템의 전체 설치 공간에 영향을 줄 수 있는 요소로는 구동 장치가 외부형인지 내부형인지, 케이블 관리 방식 등이 있습니다. 환경적 제약 조건으로는 기계의 움직이는 부품에서 미세 입자가 거의 발생하지 않아야 하는 클린룸 환경이나, 주변 미세 입자로 인해 스테이지 내부의 마찰이 과도해져 신뢰성과 성능에 영향을 줄 수 있는 오염된 환경 등이 있습니다. 작동 온도는 스테이지 성능에 큰 영향을 미치는 중요한 환경적 요인입니다. 단 2~3도 정도의 온도 변화만으로도 스테이지의 허용 오차를 변경할 만큼의 팽창이 발생할 수 있습니다.

많은 응용 분야에서 다축 운동이 필요합니다. 다축 시스템에서는 서로 다른 방향으로의 운동을 위해 스테이지를 쌓아야 합니다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 검사 시스템은 선형 운동을 제공해야 할 수도 있습니다.X그리고Y운동과 회전세타이러한 시스템에서는 형상이 시스템의 나머지 부분에 미치는 공차를 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 두 개의 스테이지가 서로 쌓여 있는 경우, 상단 스테이지는 이동 끝단에서 휘어질 수 있습니다. 상단 스테이지의 휘어짐은 하단 스테이지에 작용하는 캔틸레버 하중에 따라 달라집니다. 따라서 이러한 휘어짐을 고려하거나 다른 구성을 고려해야 합니다. 스테이지 제조업체는 적층형 스테이지의 사양이 적용 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다.

다단식 시스템에서 케이블 관리는 물류 및 신뢰성 문제로 이어질 수 있습니다. 케이블은 종종 간과되지만 시스템의 수명, 구조 및 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 무대 제조업체에 혁신적인 케이블링 솔루션을 문의해 보십시오. 예를 들어 마찰과 저항을 줄이기 위해 케이블을 내부에 통합하거나, 유연성을 높이기 위해 외부 케이블 커넥터 대신 단일 외부 케이블 인터페이스를 사용하는 등의 솔루션이 있을 수 있습니다.

시스템 구동 방식을 결정하는 것은 매우 중요한 요소입니다. 가장 일반적인 구동 방식은 볼스크류 구동과 선형 모터 구동입니다. 볼스크류 구동은 가격이 저렴하고 이해하기 쉽습니다. 자연적인 감쇠 특성 덕분에 제어가 용이하고 브레이크를 쉽게 추가할 수 있습니다. 하지만 기계적 마찰로 인해 일정한 속도를 유지하기 어려울 수 있습니다. 또한, 극한의 온도나 습도 조건과 같은 특정 환경에서는 볼스크류의 피치가 변하여 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 열 영향이 문제가 될 경우, 선형 엔코더가 필요하거나 선형 모터 구동 방식이 더 나은 선택일 수 있습니다.

선형 모터 구동계는 자기 트랙과 코일 어셈블리로 구성됩니다. 자기 트랙은 일반적으로 고정되어 있으며 강철 기판에 장착된 일련의 영구 자석으로 이루어져 있습니다. 코일 어셈블리는 모든 구리 권선을 포함하며 일반적으로 슬라이딩 스테이지 캐리지에 장착됩니다. 일부 선형 모터 스테이지는 케이블 연결을 단순화하기 위해 슬라이딩 캐리지 어셈블리에 영구 자석을 장착하기도 하지만, 자석의 길이로 인해 이러한 시스템의 이동 거리가 제한됩니다.

선형 모터 드라이브는 일반적으로 고속, 정속 또는 장거리 이동이 필요한 경량에서 중형 부하에 가장 적합합니다. 선형 모터 드라이브는 이동 거리가 증가해도 처짐 현상이 발생하지 않기 때문에 볼 스크류 드라이브 트레인보다 훨씬 긴 이동 거리를 제공합니다. 또한 더 나은 속도 제어를 제공할 수 있지만, 무빙 코일과 선형 엔코더 전자 장치로 인해 케이블 관리가 더 복잡해집니다. 게다가 대형 선형 드라이브는 무게가 더 나가고 이동 거리와 자석 크기가 커질수록 가격이 상승할 수 있습니다.

구동 방식을 선택할 때 중요한 고려 사항은 정지 능력과 장착 방향입니다. 선형 모터 구동 방식은 동력이 없으면 자유롭게 움직이는 반면, 볼 스크류 구동 방식은 마찰력을 이용하여 움직임을 감쇠시킵니다. 이는 특히 구동 장치를 수직으로 장착해야 하는 경우에 중요합니다. 선형 모터 구동 방식은 마찰이 거의 없기 때문에 동력 손실이 발생하면 캐리지가 자유낙하하게 됩니다. 또한, 중력을 항상 극복해야 하므로 모터에 지속적으로 큰 힘이 요구됩니다. 선형 모터는 수직으로 작동할 경우 과열이 빠르게 진행되거나 카운터밸런스가 필요할 수 있으므로, 볼 스크류 구동 방식이 수직 장착에 더 적합합니다.

모터를 선택할 때는 여러 가지 장단점을 고려해야 합니다. 일반적인 로터리 모터는 가장 저렴한 옵션이지만 구동 시스템을 위한 공간을 더 많이 차지합니다. 리니어 모터는 공간을 덜 차지하지만 로터리 모터보다 자석이 더 많고 리니어 엔코더가 필요하기 때문에 가격이 더 비쌉니다. 볼 스크류 구동 방식의 스테이지에도 리니어 엔코더를 사용할 수 있지만, 모터와 볼 스크류에 로터리 엔코더를 사용하는 것이 성능이 동일하고 비용도 더 저렴한 경우가 많습니다. 스테퍼 모터와 서보 모터를 사용할 때도 장단점이 있습니다. 스테퍼 모터는 가격이 저렴하지만 서보 모터는 고속 성능이 더 우수합니다.

볼스크류 구동 방식의 스테이지에 프레임리스 모터를 사용하는 것도 하나의 옵션입니다. 프레임리스 모터는 스테이지에 내장된 표준 브러시리스 모터입니다. 로터 자석은 볼스크류 샤프트에 직접 접합되고, 스테이터 권선은 스테이지 끝단에 통합됩니다. 이러한 구성은 모터 커플러를 제거하여 공간을 몇 인치 절약할 수 있습니다. 커플러가 없으면 모터와 볼스크류 연결부의 히스테리시스와 권선 현상이 줄어들어 성능이 향상됩니다. 스테이지 제조업체는 모터 및 엔코더에 대한 전문 지식을 제공하여 해당 용도에 가장 적합한 솔루션을 제시해야 합니다.

시스템 동작의 기계적 및 전기적 측면을 충분히 이해하고 단계를 선택한 후에는 제어 시스템의 세부 사항을 결정할 수 있습니다. 제어 시스템은 구동 전자 장치와 호환되어야 하며, 모든 구동 장치가 커넥터를 통해 피드백 정보를 제공하는 것은 아니라는 점에 특히 주의해야 합니다. 이상적으로는 컨트롤러가 추가 하드웨어 없이 트랜스듀서 및 액추에이터 신호와 직접 인터페이스해야 합니다. 또한 컨트롤러는 시스템의 자연스러운 데이터 전송 속도 내에서 제어 루프를 완료하거나 필요에 따라 여러 동작 축의 움직임을 동시에 제어할 수 있는 충분한 성능을 갖춰야 합니다.