모션 액추에이터와 스테이지를 처음부터 구축하려면 설계자가 수백 개의 부품을 주문하고, 재고를 정리하고, 조립해야 합니다. 또한 시장 출시 시간이 늘어나고 기술자와 전문 생산 장비가 필요합니다. 대안은 사전 설계된 모션 장치를 주문하는 것입니다.

스테이지와 액추에이터는 기계의 자재 명세서에 포함되는 품목인 경우가 많습니다. 올바른 힘, 탑재량, 위치 지정 및 속도를 제공한다면 기계 제작자는 추가 고려 사항을 고려하는 데 시간을 소비할 필요가 없습니다. 그러나 기업은 사전 설계된 스테이지와 액추에이터를 사용하여 실제로 기계를 개선할 수 있습니다.

ServoBelt 선형 액추에이터와 같은 사전 엔지니어링된 스테이지는 특히 브래킷과 커넥터의 부품 수 감소로 인해 일반적으로 구성 요소 기반 스테이지보다 비용이 25~50% 저렴합니다. 또한 재고 설계 및 유지 관리와 관련된 비용도 절감됩니다.
적절하게 사전 엔지니어링된 모션 하위 시스템은 정의된 물리적 공간에 적합하며 기계 제어 장치와 연결됩니다. 일반적으로 최상위 컴퓨터 인터페이스, 제어 카드 또는 PLC의 명령을 받아들입니다. 가장 간단한 사전 엔지니어링 시스템은 액추에이터와 커넥터만으로 구성됩니다. 복잡한 사전 엔지니어링 스테이지에는 페이로드를 이동하기 위한 컨트롤과 엔드 이펙터까지 추가됩니다.

사전 엔지니어링된 단계는 맞춤화되어 있기 때문에 구성 요소 기반 시스템보다 성능이 뛰어난 경우가 많습니다. 이와 대조적으로 많은 기계 제작업체에는 스테이지를 정렬할 숙련된 기술자, 고정 장치, 레이저 간섭계 및 기타 장비가 없습니다(종종 미크론 단위로 측정되는 축 간 정렬 공차가 있음).

제어 전략에 따라 일부 설계가 결정되므로 사전 엔지니어링 단계가 항상 전통적인 설계 규칙을 따르지는 않습니다. 관성 불일치를 고려하십시오. 일반적인 경험 법칙은 사전 패키지된 증폭기와 모터 조합의 게인 사전 설정을 사용할 때 문제를 방지하기 위해 페이로드 관성 대 모터 관성의 비율을 20:1 미만으로 유지하는 것입니다. 그러나 사전 설계된 많은 스테이지의 비율은 200:1(예를 들어 회전 테이블의 경우 4,500:1)이면서도 오버슈트 없이 정밀하게 움직입니다. 여기에서 제조업체는 스테이지의 튜닝 게인을 동적으로 변경하고 물리적 테스트를 통해 이를 검증합니다. 이를 통해 더 작은 모터가 작업을 수행할 수 있습니다.

이와 같은 회전 스테이지는 일반적으로 위치 결정에 사용되지만 CNC 기계에도 적합합니다. 사전 엔지니어링된 단계를 가장 많이 사용하는 기계는 융합형 반도체, 습식 벤치, 레이저 절단, 포장 및 실험실 자동화입니다.
사전 엔지니어링된 단계도 신뢰할 수 있습니다. 새로운 모션 시스템을 시운전할 때 개별적이고 사소해 보이는 구성 요소가 함께 제대로 작동하지 않습니다. 예를 들어, 잘못된 커넥터로 인해 전체 시스템이 중단될 수 있습니다. 사전 엔지니어링된 단계는 이러한 일이 발생하지 않도록 기계에 넣기 전에 조립 및 테스트됩니다.

예: 직선 운동
선형 드라이브가 두 가지 다른 움직임을 만드는 응용 분야를 고려하십시오. 하나는 400mm/초의 긴 이동이고, 다른 하나는 150msec 내에 목표 위치의 10μm 이내로 안정되어야 하는 13mm의 고속 조그입니다. 움직이는 질량은 38kg이며 1μm 광학 선형 인코더의 피드백을 기준으로 목표 양방향 정확도는 ±5μm입니다.

전통적인 XY 볼 스크류 스테이지는 제작자가 값비싼 백래시 없는 버전을 선택하지 않는 한 충분히 정확하지 않습니다. 선형 모터는 또 다른 옵션이지만 이 애플리케이션의 경우 긴 모터 코일만이 300N의 연속 힘에 대한 요구 사항을 충족하므로 크기가 크고 비용이 많이 듭니다. 긴 코일은 전체 디자인에 대한 대대적인 변경도 필요하므로 다른 옵션보다 비용이 50% 더 비쌉니다.

ServoBelt 선형 액추에이터를 기반으로 사전 설계된 이 다축 스테이지는 반도체 제조 기계에 추가되기 전에 테스트됩니다. 무대에는 백래시가 없으므로 설계자는 동적 요구 사항에 맞게 컨트롤을 조정할 수 있습니다. 이 기계에서 빠른 인덱스 이동을 수행하는 유일한 방법은 모터에서 페이로드까지 백래시 없는 드라이브라인이 필요한 선형 인코더를 사용하여 서보 루프를 닫는 것이기 때문에 유용합니다.
이와 대조적으로 벨트 구동 드라이브를 기반으로 사전 설계된 스테이지는 비용 효율적입니다. 리니어 엔코더만으로 단일 루프 제어가 가능하므로 이중 루프 제어가 필요하지 않습니다. 드라이브는 또한 본질적으로 높은 기계적 댐핑을 갖추고 있어 제어 장치가 짧은 정착 시간 동안 높은 튜닝 게인(속도 및 위치 게인의 4배까지)을 가질 수 있습니다. 이와 대조적으로 선형 모터는 서보 증폭기 전자 장치의 감쇠를 시뮬레이션해야 하므로 가능한 위치 이득이 줄어듭니다.

예: 회전 운동
또 다른 응용 분야인 3축 CNC 데스크탑 밀링 머신을 고려해 보십시오. 이들은 일반적으로 선형 모션 시스템을 사용하여 절삭 공구를 배치합니다. 대조적으로, 사전 설계된 스테이지는 회전식 위치 지정과 선형 위치 지정을 결합합니다. 여기서는 두 개의 벨트 구동 회전 장치가 대구경 회전 베어링에 하중을 전달하고 서로 마주보게 됩니다. 하나는 150,000rpm의 공기 구동 스핀들을 운반합니다. 다른 하나는 공작물을 잡고 180° 회전시켜 절삭 공구가 40 × 40 × 40mm 부피로 공작물 표면의 어느 지점에든 도달할 수 있도록 합니다.

이 CNC 밀링 머신은 필요 이상으로 복잡하지 않은 사전 엔지니어링된 스테이지를 사용합니다. 응용 분야에서는 위치 정확도보다는 우수한 표면 마감이 필요하므로 인코더를 사용하지 않고 개방형 루프를 실행합니다(잠재적으로 기계당 수천 달러를 절약할 수 있음).
나사 구동 선형 액추에이터는 선형 축을 구동하지만 절단 헤드가 있는 회전 장치가 공작물을 고정하는 장치를 기준으로 축 방향으로 이동할 수 있도록 합니다. 세 장치 모두 동기화되어 움직입니다. 선형 축은 Z축 위치 지정을 처리하고 절삭 공구를 공작물의 표면으로 가져옵니다.

회전식 설계는 견고하여 설계가 가공 공차를 충족하는 데 도움이 됩니다. 평생 윤활 옵션은 오염 가능성을 줄이고, 두 회전 스테이지 모두의 이펙터는 절단 챔버 벽의 간단한 회전 씰을 통해 확장됩니다. 씰은 절삭유와 날아오는 세라믹 먼지로부터 내부 작업을 보호합니다. 대조적으로, XYZ 스테이지에는 부피가 큰 벨로우즈와 아르마딜로 커버가 필요합니다.

절삭 공구와 공작물의 회전 위치 지정은 직교 좌표가 아닌 극좌표를 사용합니다(CNC 운동학의 경우 일반적임). 컨트롤러는 XYZ G 코드 명령을 받아 실시간으로 극좌표로 변환합니다. 이점? 회전 운동은 부드러운 표면 마감을 만드는 데 선형 운동보다 낫습니다. 왜냐하면 최고의 선형 베어링과 볼 나사라도 볼이 하중이 걸린 상태 안팎으로 순환할 때 "우르릉" 거리기 때문입니다. 이 진동은 모션 시스템을 통해 울려 퍼지며 주기적인 표면 품질 변화로 부품에 나타날 수 있습니다.