대부분의 사람들은 병렬 구동 시스템을 카르테시안/갠트리 로봇에서 볼 수 있는 것으로 생각합니다. 하지만 병렬 구동 시스템은 단일 구동 컨트롤러에서 병렬로 작동하는 두 개 이상의 선형 모터로도 볼 수 있습니다. 이는 카르테시안/갠트리형 로봇뿐만 아니라 나노미터 이하에서 피코미터 이상의 해상도와 위치 정확도를 요구하는 고정밀 및 초고정밀 단축 로봇과 같은 주요 모션 제어 분야를 포괄합니다. 이러한 시스템은 광학 및 현미경, 반도체 제조, 공작기계, 고출력 액추에이터, 재료 시험 장비, 픽앤플레이스 작업, 조립 작업, 핸들링 공작기계, 아크 용접 등 다양한 분야에 적용됩니다. 요컨대, 마이크론 및 서브마이크론 영역 모두에서 응용 분야가 있습니다.

병렬 드라이브 문제
모든 병렬 구동 시스템의 주요 문제는 직교 정렬, 즉 평행축을 직각으로 유지하는 능력입니다. 스크류, 랙 앤 피니언, 벨트, 체인과 같은 기계식 구동 시스템에서는 정렬 불량이나 누적된 공차로 인해 기계 시스템이 고착되는 것이 주요 문제입니다. 직접 구동 시스템에서는 설치 오류 및 선형 모터의 편차로 인해 발생하는 사인파 오차라는 추가적인 문제가 발생합니다.

이러한 문제를 해결하기 위한 가장 일반적인 방법은 병렬 시스템의 각 축을 독립적으로 구동 및 제어하되 전자적으로 동기화하는 것입니다. 하지만 이러한 시스템은 단일 축 시스템에 비해 두 배의 구동 및 위치 감지 전자 장치가 필요하기 때문에 비용이 많이 듭니다. 또한 동기화 및 추적 오류가 발생하여 시스템 성능이 저하될 수 있습니다.

선형축 모터를 병렬로 연결할 수 있게 해주는 핵심 요소는 바로 응답성이 뛰어난 모터입니다. 동일한 제어 신호를 가했을 때, 두 개의 동일한 선형축 모터가 생성하는 동적 운동은 동일합니다.

모든 병렬 구동 시스템과 마찬가지로, 선형 샤프트 모터는 축이 단일 자유도 운동만 할 수 있도록 하는 메커니즘과 물리적으로 연결되어야 합니다. 이렇게 하면 병렬 선형 샤프트 모터가 하나의 유닛처럼 작동하여 단일 엔코더와 단일 서보 드라이버로 구동할 수 있습니다. 또한, 제대로 설치된 선형 샤프트 모터는 비접촉식으로 작동하므로 시스템에 기계적 걸림을 유발하지 않습니다.

이러한 설명은 모든 비접촉식 선형 모터에 적용됩니다. 선형축 모터는 병렬 연결에 적합하도록 설계된 몇 가지 특징 때문에 다른 비접촉식 선형 모터와 차이가 있습니다.

선형축 모터의 설계는 영구 자석을 전자기장의 중심에 배치하여 공극이 중요하지 않도록 합니다. 코일이 자석을 완전히 둘러싸고 있으므로 자기장의 순 효과는 힘으로 나타납니다. 이는 정렬 불량이나 가공 차이로 인한 공극 차이에 따른 힘의 변화를 사실상 제거하여 모터의 정렬 및 설치를 간소화합니다.

하지만 사인파 오차는 주요 문제점으로, 모든 비접촉식 선형 모터에서 힘의 차이를 유발할 수 있습니다.

선형 모터는 선형 축 모터와 마찬가지로 동기 모터로 정의됩니다. 실제로 코일에 전류를 흘려 전자석을 형성하고, 이 전자석은 자석 트랙에 있는 영구 자석의 자기장과 동기화됩니다. 선형 모터의 힘은 ​​이러한 자기장의 상대적인 세기와 의도적으로 설정된 자기장 불일치 각도에 의해 발생합니다.

병렬 구동 시스템에서 모든 코일과 자기 트랙의 자기장이 완벽하게 정렬되면 하나의 모터처럼 작동합니다. 그러나 코일이나 자기 트랙의 정렬 불량은 자기장의 정렬 불량을 초래하여 각 모터에 서로 다른 힘을 발생시킵니다. 이러한 힘의 차이는 시스템의 작동을 방해할 수 있습니다. 따라서 사인 오차는 코일이나 자기 트랙의 정렬 불량으로 인해 발생하는 힘의 차이를 의미합니다.

사인파 오차는 다음 방정식을 이용하여 계산할 수 있습니다.

F_차이점=F_gen× sin(2πD_차이점/MP_nn)

어디F_차이점= 두 코일 사이의 힘 차이,F_gen= 생성된 힘,D_차이점= 정렬 불량 길이, 그리고MP_nn= 북극-북극 자기 피치.

시중에 판매되는 대부분의 선형 모터는 적외선 손실과 전기적 시정수를 줄이기 위해 25~60mm 범위의 북극-북극 자간 피치로 설계됩니다. 예를 들어, 30mm의 북극-북극 피치를 가진 선형 모터에서 단 1mm의 정렬 불량만 발생해도 문제가 발생할 수 있습니다.nn피치 조절로 인해 약 21%의 전력 손실이 발생합니다.

선형축 모터는 훨씬 긴 북극-북극 자기 피치를 사용하여 이러한 손실을 보상합니다. 이는 우발적인 정렬 불량으로 인한 사인파 오차의 영향을 줄여줍니다. 90mm 북극-북극 피치를 가진 선형축 모터에서 1mm의 정렬 불량은 7%의 전력 손실만 발생시킵니다.

병렬 구동 시스템
고정밀 및 초고정밀 단축 로봇에서 진정으로 정확한 위치 제어는 피드백이 작업 지점의 질량 중심에 정확히 위치할 때만 가능합니다. 모터에서 발생하는 힘 또한 작업 지점의 질량 중심에 집중되어야 합니다. 하지만 일반적으로 모터와 피드백을 정확히 같은 위치에 두는 것은 불가능합니다!

무게중심에 엔코더를 설치하고 무게중심으로부터 등간격으로 배치된 병렬 선형축 모터를 사용하면 무게중심에서 원하는 피드백과 힘을 생성할 수 있습니다. 이는 두 세트의 엔코더와 서보 드라이브가 필요한 다른 유형의 병렬 구동 시스템에서는 불가능한 방식입니다.

단일 드라이브/단일 엔코더 시스템은 초고정밀 용도에 가장 적합하며 갠트리 시스템 제작자에게 큰 이점을 제공합니다. 과거에는 두 개의 서로 다른 모터가 각각 다른 컨트롤러로 전자적으로 연결된 별도의 볼 스크류를 구동하거나, 두 개의 리니어 모터와 두 개의 엔코더가 두 개의 드라이브로 전자적으로 연결된 시스템을 사용하는 경우가 있었습니다. 하지만 이제는 시스템 강성이 충분히 높다면 두 개의 리니어 샤프트 모터, 하나의 엔코더, 그리고 하나의 증폭기/드라이버만으로 동일한 동작을 구현할 수 있습니다.

이는 극도로 높은 힘이 필요한 응용 분야에서도 유리한 점입니다. 여러 개의 선형 샤프트 모터를 병렬로 연결하여 힘을 합칠 수 있기 때문입니다.