모션 액추에이터와 스테이지를 처음부터 제작하려면 설계자가 수백 개의 부품을 주문하고, 재고를 재고 관리하고, 조립해야 합니다. 또한 출시 기간이 길어지고 기술자와 특수 생산 장비가 필요합니다. 대안은 사전 설계된 모션 장치를 주문하는 것입니다.

스테이지와 액추에이터는 기계의 부품 목록에 있는 품목일 뿐입니다. 적절한 힘, 탑재량, 위치, 속도를 제공한다면 기계 제조업체는 이를 별도로 고려할 필요가 없습니다. 하지만 기업은 사전 설계된 스테이지와 액추에이터를 사용하여 기계를 실제로 개선할 수 있습니다.

이 ServoBelt 선형 액추에이터와 같은 사전 제작된 스테이지는 부품 수, 특히 브래킷과 커넥터의 감소 덕분에 구성품 기반 스테이지보다 일반적으로 25~50% 저렴합니다. 또한 설계 및 재고 관리 비용도 대폭 절감됩니다.
적절하게 사전 설계된 모션 서브시스템은 정의된 물리적 공간에 맞춰져 있으며 기계의 제어 장치와 연결됩니다. 일반적으로 최상위 컴퓨터 인터페이스, 제어 카드 또는 PLC의 명령을 받습니다. 가장 단순한 사전 설계된 시스템은 액추에이터와 커넥터만으로 구성됩니다. 복잡한 사전 설계된 스테이지는 제어 장치와 엔드 이펙터까지 추가하여 페이로드를 이동합니다.

사전 제작된 스테이지는 맞춤 제작되기 때문에 부품 제작 시스템보다 성능이 우수한 경우가 많습니다. 반면, 많은 기계 제조업체는 스테이지 정렬을 위한 숙련된 기술자, 고정 장치, 레이저 간섭계 및 기타 장비를 보유하고 있지 않습니다(스테이지의 축 간 정렬 공차는 종종 미크론 단위로 측정됩니다).

제어 전략은 설계의 일부를 결정하므로, 사전 설계된 스테이지가 항상 기존 설계 규칙을 따르는 것은 아닙니다. 관성 불일치를 고려하십시오. 일반적인 경험 법칙은 사전 패키징된 증폭기와 모터 조합의 게인 사전 설정 사용 시 문제를 방지하기 위해 탑재체 관성 대 모터 관성 비율을 20:1 미만으로 유지하는 것입니다. 그러나 많은 사전 설계된 스테이지는 최대 200:1(예: 회전 테이블에서는 4,500:1)의 비율을 가지면서도 오버슈트 없이 정밀하게 작동합니다. 이 경우, 제조업체는 스테이지의 튜닝 게인을 동적으로 변경하고 물리적 테스트를 통해 검증합니다. 이를 통해 더 작은 모터로도 작업을 수행할 수 있습니다.

이와 같은 회전 스테이지는 일반적으로 위치 결정에 사용되지만 CNC 기계에도 적합합니다. 사전 설계된 스테이지를 가장 많이 사용하는 기계는 퓨즈드 반도체, 습식 벤치, 레이저 절단, 패키징, 그리고 실험실 자동화입니다.
사전 제작된 스테이지는 신뢰성 또한 뛰어납니다. 새로운 모션 시스템을 시운전할 때, 겉보기에 사소해 보이는 개별 부품들이 제대로 작동하지 않는 경우가 있습니다. 예를 들어, 커넥터에 결함이 있으면 기계 전체가 고장날 수 있습니다. 사전 제작된 스테이지는 기계에 장착되기 전에 조립 및 테스트되므로 이런 일이 발생하지 않습니다.

예: 직선 운동
선형 드라이브가 두 가지 다른 동작을 하는 애플리케이션을 고려해 보겠습니다. 하나는 400mm/초의 장거리 이동이고, 다른 하나는 150msec 내에 목표 위치 10µm 이내로 안착해야 하는 13mm의 고속 조그입니다. 이동 질량은 38kg이며, 1µm 광학 선형 인코더의 피드백을 기반으로 ±5µm의 목표 양방향 정확도를 가집니다.

기존 XY 볼스크류 스테이지는 제작자가 고가의 제로 백래시 버전을 선택하지 않는 한 정밀성이 충분하지 않습니다. 선형 모터는 또 다른 옵션이지만, 이 애플리케이션에는 크고 비쌉니다. 긴 모터 코일만이 300N의 연속 하중 요건을 충족하기 때문입니다. 또한 긴 코일은 전체 설계를 대폭 변경해야 하므로 다른 옵션보다 비용이 50% 더 많이 듭니다.

ServoBelt 선형 액추에이터를 기반으로 사전 제작된 이 다축 스테이지는 반도체 제조 장비에 추가되기 전에 테스트됩니다. 이 스테이지는 백래시가 없으므로 설계자는 동적 요구 사항에 맞춰 제어를 조정할 수 있습니다. 이 장비에서 빠른 인덱스 이동을 구현하는 유일한 방법은 선형 인코더를 사용하여 서보 루프를 닫는 것인데, 이를 위해서는 모터에서 페이로드까지 백래시 없는 구동계가 필요하기 때문에 이러한 점이 유용합니다.
반면, 벨트 구동 구동 기반의 사전 설계된 스테이지는 비용 효율적입니다. 선형 인코더만 사용하여 단일 루프 제어로 충분하기 때문에 이중 루프 제어가 필요하지 않습니다. 또한, 이 드라이브는 본질적으로 높은 기계적 감쇠력을 가지고 있어 제어기가 짧은 정착 시간 동안 높은 튜닝 이득(속도 및 위치 이득의 최대 4배)을 얻을 수 있습니다. 반면, 선형 모터는 서보 앰프 전자 장치에서 감쇠력을 시뮬레이션해야 하므로 위치 이득이 감소합니다.

예: 회전 운동
또 다른 응용 분야인 3축 CNC 데스크톱 밀링 머신을 생각해 보겠습니다. 이 머신은 일반적으로 선형 모션 시스템을 사용하여 절삭 공구를 위치시킵니다. 이와는 대조적으로, 사전 설계된 스테이지는 회전 및 선형 위치 조정을 결합합니다. 이 경우 두 개의 벨트 구동 회전 장치가 대구경 회전 베어링에 하중을 전달하며 서로 마주 보고 있습니다. 하나는 150,000rpm의 공압 스핀들을 사용하고, 다른 하나는 공작물을 고정하고 180° 회전시켜 절삭 공구가 40 x 40 x 40mm 크기의 공작물 표면 어느 지점에든 도달할 수 있도록 합니다.

이 CNC 밀링 머신은 필요 이상으로 복잡하지 않은 사전 제작된 스테이지를 사용합니다. 이 애플리케이션은 위치 정확도보다는 우수한 표면 조도가 중요하므로, 인코더를 사용하지 않고 개방 루프 방식으로 구동하여 머신당 수천 달러를 절약할 수 있습니다.
나사 구동식 선형 액추에이터는 선형 축을 구동하지만, 절삭 헤드가 장착된 회전 장치는 공작물을 고정하는 장치에 대해 축 방향으로 이동합니다. 세 장치는 모두 동기화되어 움직입니다. 선형 축은 Z축 위치 조정을 담당하고 절삭 공구를 공작물 표면으로 이동시킵니다.

회전식 설계는 견고하여 가공 공차를 충족하는 데 도움이 됩니다. 윤활 처리된 수명 옵션은 오염 가능성을 줄여주며, 두 회전 스테이지의 이펙터는 절삭 챔버 벽면의 간단한 회전 씰을 통해 확장됩니다. 씰은 내부 가공물을 절삭유와 날아다니는 세라믹 분진으로부터 보호합니다. 반면, XYZ 스테이지는 부피가 큰 벨로우즈와 아르마딜로 커버가 필요합니다.

절삭 공구와 공작물의 회전 위치 결정에는 직교좌표(CNC 운동학에서 일반적으로 사용되는 방식)가 아닌 극좌표가 사용됩니다. 컨트롤러는 XYZ G 코드 명령을 받아 실시간으로 극좌표로 변환합니다. 장점은 무엇일까요? 회전 운동은 매끄러운 표면 마감을 구현하는 데 선형 운동보다 더 효과적입니다. 최고급 리니어 베어링과 볼 스크류조차도 볼이 부하 상태를 왔다 갔다 하면서 "울림"을 발생시키기 때문입니다. 이 울림은 운동 시스템 전체에 영향을 미쳐 부품 표면 품질에 주기적인 변화를 일으킬 수 있습니다.