전자, 광학, 컴퓨터, 검사, 자동화, 레이저 산업에는 다양한 위치 지정 시스템 사양이 필요합니다.모든 사람에게 맞는 시스템은 없습니다.

고정확도 위치 지정 시스템이 최적으로 작동하도록 하려면 시스템을 구성하는 구성 요소(베어링, 위치 측정 시스템, 모터 및 구동 시스템, 컨트롤러)가 모두 최대한 잘 작동하여 애플리케이션 기준을 충족해야 합니다.

베이스 및 베어링

최적의 시스템 구성을 결정하려면 먼저 시스템의 기계적인 부분을 고려해야 합니다. 선형 스테이지의 경우, 베이스 및 베어링 설계에 대한 네 가지 일반적인 선택 사항은 다음과 같습니다.
• 볼튼 볼 베어링 방식이 적용된 알루미늄 베이스와 슬라이드.
• 강철 레일 위에 4개의 순환 롤러 베어링 블록이 있는 알루미늄 또는 강철 베이스와 알루미늄 또는 강철 측면.
• 미하나이트 주철 베이스와 슬라이드, 롤러 베어링 방식이 통합되어 있습니다.
• 화강암 또는 주철 슬라이드와 공기 베어링이 장착된 화강암 가이드.

알루미늄은 미하나이트나 강철보다 가볍지만, 강도가 약하고 안정성이 떨어지며 충격에 대한 저항성이 낮습니다. 또한, 알루미늄은 온도 변화에 훨씬 더 민감합니다. 주철은 알루미늄보다 150% 더 단단하고 진동 감쇠력이 300% 더 뛰어납니다. 강철은 철보다 내구성이 뛰어나고 강합니다. 하지만 장시간 울림 현상이 발생하여 빠른 움직임과 안정 시간에 악영향을 미칩니다.

에어 베어링이 장착된 화강암 가이드는 가장 견고하고 내구성이 뛰어난 조합을 제공합니다. 화강암은 서브미크론 범위의 평탄도와 직진도를 위해 연마될 수 있습니다. 화강암 테이블의 단점은 화강암의 질량 때문에 공간 활용도가 더 크고 강철이나 철 기반 위치 결정 시스템보다 무게가 더 무겁다는 것입니다. 그러나 베어링과 화강암 가이드 표면 사이에 접촉이 없기 때문에 마모가 발생하지 않으며, 에어 베어링은 대부분 자가 세척 기능을 갖추고 있습니다. 또한 화강암은 진동 감쇠 특성과 열 안정성이 뛰어납니다.

테이블 자체의 설계 또한 테이블의 전반적인 성능에 중요한 요소입니다. 테이블은 여러 부품으로 구성된 볼트 조립식 유닛부터 간단한 주조 베이스와 슬라이드까지 다양한 구성으로 제공됩니다. 테이블 전체에 단일 소재를 사용하면 일반적으로 온도 변화에 대한 반응이 균일해져 더욱 정확한 시스템을 구축할 수 있습니다. 리브와 같은 특징은 댐핑을 제공하여 신속한 침하를 가능하게 합니다.

일체형 방식은 볼트온 방식보다 장점이 있는데, 오랜 시간이 지나도 예압을 위해 방식을 조정할 필요가 없습니다.

크로스 롤러 베어링은 롤러와 궤도 사이에 선 접촉을 하는 반면, 볼 베어링은 볼과 궤도 사이에 점 접촉을 합니다. 이러한 점 접촉은 일반적으로 롤러 베어링의 운동을 더 부드럽게 합니다. 구름 표면의 표면 변형(및 마모)이 적고 접촉 면적이 넓어 하중이 더 고르게 분산됩니다. 롤러당 최대 4.5~14kg의 하중이 표준이며, 약 150~300N/미크론의 높은 기계적 강성을 갖습니다. 단점으로는 선 접촉으로 인한 고유 마찰이 있습니다.

그러나 볼 베어링의 마찰을 제한하는 접촉 면적이 작기 때문에 하중 용량 또한 제한됩니다. 롤러 베어링은 일반적으로 볼 베어링보다 수명이 길지만, 롤러 베어링은 가격이 더 비쌉니다.

한 제조업체의 표준 테이블 크기는 길이가 25~1,800mm이고 슬라이드 너비가 100~600mm입니다.

에어 베어링 구성은 서로 마주보는 에어 베어링 또는 가이드 부재에 내장된 고출력 희토류 자석에 의해 예압된 리프트 및 가이드 베어링으로 ​​구성됩니다. 이러한 비접촉 설계는 다른 베어링 설계의 마찰을 방지합니다. 또한, 에어 베어링은 기계적 마모가 발생하지 않습니다. 또한, 에어 베어링은 넓은 간격을 유지할 수 있습니다. 따라서 결과적으로 발생하는 기하학적 오차의 평균을 계산하여 200mm에 걸쳐 1초 미만의 각도 편차와 0.25 미크론 미만의 진직도를 생성합니다.

수치적 값은 여러 요인에 따라 달라지기 때문에 제공하기 어렵습니다. 예를 들어, 위치 정확도는 베어링이나 가이드뿐만 아니라 위치 측정 시스템과 컨트롤러에도 영향을 받습니다. 위치 결정 시스템의 마찰은 선택한 구동 시스템뿐만 아니라 베어링 조정, 테이블 밀봉, 윤활 등에 따라 달라집니다. 따라서 도달 가능한 정확한 값은 모든 구성 요소의 조합에 따라 크게 달라지며, 이는 다시 애플리케이션에 따라 달라집니다.

구동 시스템

벨트, 랙앤피니언, 리드 스크류, 정밀 연삭 볼 스크류, 리니어 모터 등 다양한 유형의 구동 시스템 중에서 대부분의 고정밀 위치 지정 시스템에는 마지막 두 가지만 고려됩니다.

볼 스크류 드라이브는 다양한 분해능, 정밀도 및 강성 특성을 제공하며, 초당 250mm 이상의 높은 속도를 제공할 수 있습니다. 그러나 볼 스크류 드라이브는 스크류의 임계 회전 속도에 의해 제한되기 때문에, 속도가 높아지면 피치가 낮아지고 기계적 이점이 줄어들며 더 높은 출력의 모터가 필요합니다. 이는 일반적으로 더 높은 버스 전압을 가진 더 높은 출력의 모터 드라이브로 변경하는 것을 의미합니다. 볼 스크류 드라이브는 널리 사용되지만 기계적 백래시, 와인드업, 피치 주기 오차 및 마찰이 발생할 수 있습니다. 또한 모터와 드라이브를 연결하는 기계적 커플링의 강성도 간과됩니다.

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

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

동적 강성 = ΔF/ΔX

높은 강성과 높은 고유 진동수는 짧은 정착 시간과 함께 탁월한 서보 동작을 제공합니다. 모터와 슬라이드 사이에 기계적 연결이 없으므로 슬라이드는 위치 명령의 변화에 ​​빠르게 반응합니다. 또한, 볼 스크류의 "링잉" 현상이 발생하지 않으므로 빠른 이동 및 정착 시간을 얻을 수 있습니다.

브러시리스 리니어 모터는 기계 베이스에 고정된 영구 자석 어셈블리와 슬라이드에 고정된 코일 어셈블리로 구성됩니다. 코일 어셈블리와 자석 사이에는 약 0.5mm의 간격이 유지됩니다. 두 어셈블리 사이에는 물리적 접촉이 없습니다.

가동 코일 어셈블리의 코어는 일련의 중첩되고 절연된 구리 코일을 수용합니다. 이 코일들은 3상 작동을 위해 정밀하게 권취되고 피치 조정됩니다. 전자 정류에는 일련의 홀 효과 센서가 사용됩니다. 정류 전자 장치는 무시할 수 있는 힘 리플을 갖는 운동을 제공합니다. 정류는 기계식이 아닌 전자식으로 이루어지므로 정류 아크가 발생하지 않습니다.

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

25N에서 5,000N 이상의 연속 구동력을 가진 선형 서보 모터를 구입할 수 있습니다. 대부분의 대형 모터는 공랭식 또는 수랭식을 사용합니다. 여러 개의 선형 모터를 병렬 또는 직렬로 연결하여 더 높은 구동력을 얻을 수 있습니다.

모터와 슬라이드 사이에 기계적 연결부가 없기 때문에 볼 스크류와 같은 기계적 감속이 없습니다. 부하는 모터에 1:1 비율로 전달됩니다. 볼 스크류 드라이브의 경우, 슬라이드에서 모터로 전달되는 부하 관성은 감속비의 제곱만큼 감소합니다. 따라서 부하 변화에 따라 다양한 모터 제어 매개변수를 프로그래밍하여 효과적인 서보 보상을 얻을 수 있는 컨트롤러를 선택하지 않는 한, 선형 모터 드라이브는 부하가 자주 변하는 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.

많은 수직 어플리케이션에서 볼 스크류는 더 쉽고 비용 효율적입니다. 중력을 상쇄하기 위해 선형 모터에 지속적으로 전원을 공급해야 하기 때문입니다. 또한, 전기 기계식 브레이크는 전원이 꺼졌을 때 테이블 위치를 고정할 수 있습니다. 하지만 스프링, 카운터웨이트 또는 에어 실린더를 사용하여 모터와 하중을 상쇄하는 경우에는 선형 모터를 사용할 수 있습니다.

초기 비용 측면에서 볼 때, 리니어 모터 드라이브와 모터, 커플링, 베어링, 베어링 블록, 볼 스크류를 포함하는 볼 스크류 드라이브 사이에는 큰 차이가 없습니다. 일반적으로 브러시 타입 리니어 모터는 볼 스크류 드라이브보다 약간 저렴하고, 브러시리스 버전은 일반적으로 다소 비쌉니다.

초기 비용 외에도 고려해야 할 사항이 많습니다. 더 현실적인 비교에는 유지 보수, 신뢰성, 내구성, 그리고 인건비를 포함한 교체 비용이 포함됩니다. 이 부분에서는 리니어 모터가 좋은 예입니다.

2부에서는 위치 측정 시스템에 대해 다루겠습니다.