전자, 광학, 컴퓨터, 검사, 자동화 및 레이저 산업에서는 다양한 위치 결정 시스템 사양이 요구됩니다.모든 사람에게 맞는 시스템은 없습니다.

고정밀 위치 결정 시스템이 최적의 성능을 발휘하려면 베어링, 위치 측정 시스템, 모터 및 구동 시스템, 컨트롤러 등 시스템을 구성하는 모든 요소가 적용 기준을 충족하기 위해 최대한 원활하게 작동해야 합니다.

베이스 및 베어링

최적의 시스템 구성을 결정하려면 먼저 시스템의 기계적인 부분을 고려해야 합니다. 선형 스테이지의 경우, 일반적인 베이스 및 베어링 설계 방식은 다음과 같은 네 가지가 있습니다.
• 알루미늄 베이스 및 볼트온 볼 베어링 방식의 슬라이드.
• 알루미늄 또는 강철 베이스와 알루미늄 또는 강철 측면, 그리고 강철 레일 위에 4개의 재순환 롤러 베어링 블록이 있습니다.
• 미하이나이트 주철 베이스 및 슬라이드는 일체형 롤러 베어링 웨이를 갖추고 있습니다.
• 화강암 또는 주철 슬라이드와 공기 베어링이 장착된 화강암 가이드.

알루미늄은 미하이나이트나 강철보다 가볍지만 강성이 떨어지고 안정성이 낮으며 충격과 응력에 대한 저항력이 약합니다. 또한 알루미늄은 온도 변화에 훨씬 더 민감합니다. 주철은 알루미늄보다 강성이 150% 높고 진동 감쇠 능력은 300% 더 뛰어납니다. 강철은 내구성이 뛰어나고 철보다 강하지만, 장시간 진동하는 문제가 있어 빠른 이동 및 정착 시간에 불리합니다.

공기 베어링이 장착된 화강암 가이드는 가장 견고하고 내구성이 뛰어난 조합을 제공합니다. 화강암은 서브마이크론 범위의 평탄도와 직진도를 위해 연마할 수 있습니다. 화강암 테이블의 단점은 화강암의 무게 때문에 더 큰 공간을 차지하고 강철이나 철 기반의 위치 결정 시스템보다 무겁다는 것입니다. 그러나 베어링과 화강암 가이드 표면 사이에 접촉이 없으므로 마모가 발생하지 않으며, 공기 베어링은 대부분 자체적으로 세척됩니다. 또한 화강암은 진동 감쇠 특성이 뛰어나고 열 안정성이 우수합니다.

또한, 테이블 자체의 설계는 테이블의 전반적인 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 테이블은 여러 부품으로 구성된 볼트 조립식 유닛부터 단순한 주조 베이스와 슬라이드에 이르기까지 다양한 형태로 제공됩니다. 테이블 전체에 동일한 재질을 사용하면 일반적으로 온도 변화에 대한 반응이 더욱 균일해져 시스템의 정확도가 향상됩니다. 보강재와 같은 구조는 진동 감쇠 효과를 제공하여 테이블이 빠르게 안정화되도록 합니다.

일체형 가이드웨이는 볼트온 방식의 가이드웨이에 비해 오랜 시간이 지나도 예압 조정이 필요 없다는 장점이 있습니다.

크로스 롤러 베어링은 롤러와 궤도면 사이에 선 접촉이 있는 반면, 볼 베어링은 볼과 궤도면 사이에 점 접촉이 있습니다. 일반적으로 이로 인해 롤러 베어링이 더 부드러운 움직임을 제공합니다. 구름면의 표면 변형(및 마모)이 적고 접촉 면적이 넓어 하중이 더욱 고르게 분산됩니다. 롤러당 최대 4.5~14kg의 하중을 견딜 수 있으며, 150~300N/마이크론의 높은 기계적 강성을 갖습니다. 단점으로는 선 접촉으로 인한 고유한 마찰이 있습니다.

볼 베어링의 마찰을 제한하는 작은 접촉 면적은 하중 지지력 또한 제한합니다. 롤러 베어링은 일반적으로 볼 베어링보다 수명이 길지만 가격이 더 비쌉니다.

한 제조업체의 표준 테이블 크기는 길이 25~1,800mm, 슬라이드 폭 100~600mm입니다.

공기 베어링 구조는 리프트 베어링과 가이드 베어링으로 ​​구성되며, 가이드 부재에 내장된 반대쪽 공기 베어링 또는 고강력 희토류 자석에 의해 예압됩니다. 이러한 비접촉식 설계는 다른 베어링 설계에서 발생하는 마찰을 방지합니다. 또한, 공기 베어링은 기계적 마모가 발생하지 않습니다. 더 나아가, 공기 베어링은 넓은 간격으로 배치할 수 있습니다. 따라서 발생하는 기하학적 오차가 평균화되어 200mm 구간에서 1초각 미만의 각도 편차와 0.25마이크론 미만의 직진도를 구현합니다.

수치 값을 정확하게 제공하기는 어렵습니다. 여러 요인에 따라 달라지기 때문입니다. 예를 들어, 위치 정밀도는 베어링이나 가이드뿐만 아니라 위치 측정 시스템과 컨트롤러에도 영향을 받습니다. 위치 제어 시스템의 마찰은 구동 시스템 선택뿐만 아니라 베어링 조정, 테이블 밀봉, 윤활 등에도 영향을 받습니다. 따라서 달성 가능한 정확한 값은 모든 구성 요소의 조합에 따라 크게 달라지며, 이는 다시 적용 분야에 따라 결정됩니다.

구동 시스템

벨트 구동 방식, 랙앤피니언 방식, 리드 스크류 방식, 정밀 연삭 볼 스크류 방식, 선형 모터 방식 등 다양한 구동 시스템 유형 중에서 대부분의 고정밀 위치 제어 시스템에는 마지막 두 가지 방식만 고려됩니다.

볼 스크류 드라이브는 다양한 분해능, 정밀도 및 강성 특성을 가지며 250mm/sec 이상의 고속 회전을 제공할 수 있습니다. 그러나 볼 스크류 드라이브는 스크류의 임계 회전 속도에 의해 제한되므로, 더 높은 속도를 위해서는 피치를 낮춰야 하며, 이는 기계적 이점을 감소시키고 더 높은 출력의 모터를 필요로 합니다. 일반적으로 이는 더 높은 출력의 모터 드라이브와 더 높은 버스 전압으로의 변경을 의미합니다. 볼 스크류 드라이브는 널리 사용되지만, 기계적 백래시, 와인딩, 피치 주기 오차 및 마찰과 같은 문제점을 가질 수 있습니다. 또한 모터와 드라이브를 연결하는 기계적 커플링의 강성도 간과되는 경우가 많습니다.

선형 서보모터는 전자기력이 기계적 연결 없이 움직이는 질량에 직접 작용합니다. 따라서 기계적 히스테리시스나 피치 주기 오차가 발생하지 않습니다. 정확도는 전적으로 베어링 시스템과 피드백 제어 시스템에 달려 있습니다.

동적 강성은 서보 시스템이 충격 하중에 반응하여 위치를 얼마나 잘 유지하는지를 나타냅니다. 일반적으로 대역폭이 크고 이득이 높을수록 동적 강성이 커집니다. 이는 측정된 충격 하중을 변위 거리로 나누어 정량화할 수 있습니다.

동적 강성 = ΔF/ΔX

높은 강성과 높은 고유 진동수는 짧은 정착 시간과 함께 탁월한 서보 동작을 가능하게 합니다. 모터와 슬라이드 사이에 기계적 연결이 없기 때문에 슬라이드는 위치 명령 변화에 빠르게 반응합니다. 또한, 볼 스크류의 "진동" 현상이 없어 빠른 이동 및 정착 시간을 구현할 수 있습니다.

브러시리스 선형 모터는 기계 베이스에 고정된 영구 자석 어셈블리와 슬라이드에 고정된 코일 어셈블리로 구성됩니다. 코일 어셈블리와 자석 사이에는 약 0.5mm의 간격이 유지되며, 두 어셈블리 사이에는 물리적인 접촉이 없습니다.

가동 코일 어셈블리의 핵심에는 겹쳐지고 절연된 구리 코일들이 여러 개 배열되어 있습니다. 이 코일들은 3상 동작에 맞게 정밀하게 감겨 있고 피치가 조정되어 있습니다. 전자식 정류에는 홀 효과 센서가 사용됩니다. 정류 전자 회로 설계는 힘의 변동이 거의 없는 부드러운 움직임을 제공합니다. 정류 방식이 기계식이 아닌 전자식이기 때문에 정류 아크가 발생하지 않습니다.

이러한 특성 덕분에 선형 서보 모터는 높은 가속도(예: 2.5m/sec² 이상), 높은 속도(예: 2m/sec² 이상) 또는 매우 낮은 속도(예: 수 mm/sec²)에서도 정밀한 속도 제어가 필요한 응용 분야에 유용합니다. 더욱이 이러한 모터는 윤활이나 기타 유지 보수가 필요 없으며 마모도 없습니다. 다른 모터와 마찬가지로 열 방출 때문에 연속적인 힘이나 전류의 실효값은 장시간 동안 허용값을 초과해서는 안 됩니다.

선형 서보모터는 25N에서 5,000N 이상의 연속 구동력을 제공할 수 있습니다. 대부분의 대형 모터는 공랭식 또는 수랭식 냉각 방식을 사용합니다. 더 높은 구동력을 얻기 위해 여러 대의 선형 모터를 병렬 또는 직렬로 연결할 수 있습니다.

모터와 슬라이드 사이에 기계적 연결이 없기 때문에 볼 스크류 방식처럼 기계적 감속이 이루어지지 않습니다. 따라서 부하가 1:1 비율로 모터에 전달됩니다. 볼 스크류 구동 방식에서는 슬라이드에서 모터로 전달되는 부하 관성이 감속비의 제곱에 반비례하여 감소합니다. 이러한 특성 때문에 선형 모터 구동 방식은 부하 변화가 잦은 용도에는 적합하지 않습니다. 효과적인 서보 보상을 위해 다양한 부하에 맞춰 모터 제어 파라미터를 다르게 설정할 수 있는 컨트롤러를 사용해야 합니다.

수직 가공의 경우, 볼 스크류 방식이 더 간편하고 비용 효율적입니다. 선형 모터는 중력을 상쇄하기 위해 지속적으로 전원을 공급해야 합니다. 또한, 전기 기계식 브레이크를 사용하면 전원이 차단될 때 테이블 위치를 고정할 수 있습니다. 하지만 스프링, 카운터웨이트 또는 공압 실린더를 사용하여 모터와 하중의 무게를 상쇄하면 선형 모터를 사용할 수도 있습니다.

초기 비용 측면에서 보면, 모터, 커플링, 베어링, 베어링 블록, 볼 스크류를 포함하는 리니어 모터 드라이브와 볼 스크류 드라이브는 큰 차이가 없습니다. 일반적으로 브러시 타입 리니어 모터가 볼 스크류 드라이브보다 약간 저렴하고, 브러시리스 버전은 다소 더 비쌉니다.

초기 비용 외에도 고려해야 할 사항이 많습니다. 보다 현실적인 비교를 위해서는 유지 보수, 신뢰성, 내구성, 그리고 인건비를 포함한 교체 비용을 고려해야 합니다. 이러한 측면에서 선형 모터는 우수한 성능을 보여줍니다.

2부에서는 위치 측정 시스템에 대해 다룹니다.