모션 액추에이터와 스테이지를 처음부터 설계하려면 수백 개의 부품을 주문하고 재고를 관리하며 조립해야 합니다. 또한 제품 출시 시간이 길어지고 기술자와 특수 생산 장비가 필요합니다. 이러한 문제에 대한 대안으로 사전 설계된 모션 장치를 주문할 수 있습니다.

스테이지와 액추에이터는 흔히 기계의 부품 목록에만 포함되는 항목입니다. 적절한 힘, 하중, 위치 및 속도를 제공하기만 하면 기계 제작자는 이를 특별히 고려할 필요가 없다고 생각합니다. 그러나 기업들은 사전 설계된 스테이지와 액추에이터를 활용함으로써 기계의 성능을 실제로 향상시킬 수 있습니다.

이 서보벨트 선형 액추에이터와 같은 사전 설계된 스테이지는 부품 수, 특히 브래킷과 커넥터의 감소 덕분에 일반적으로 구성 요소 기반 제품보다 25~50% 저렴합니다. 또한 설계 및 재고 유지 관리와 관련된 비용도 크게 절감됩니다.
적절하게 사전 설계된 모션 서브시스템은 정해진 물리적 공간 내에 설치되고 기계의 제어 장치와 연결됩니다. 일반적으로 최상위 컴퓨터 인터페이스, 제어 카드 또는 PLC로부터 명령을 받습니다. 가장 간단한 사전 설계 시스템은 액추에이터와 커넥터만으로 구성됩니다. 복잡한 사전 설계 단계에는 제어 장치와 탑재물을 이동시키는 엔드 이펙터까지 추가됩니다.

사전 설계된 스테이지는 맞춤형으로 제작되기 때문에 부품별로 조립하는 시스템보다 성능이 뛰어난 경우가 많습니다. 반면, 많은 기계 제작업체는 스테이지 정렬(축 간 정렬 공차가 마이크론 단위인 경우가 많음)에 필요한 숙련된 기술자, 고정 장치, 레이저 간섭계 및 기타 장비를 갖추고 있지 않습니다.

제어 전략은 설계의 일부를 결정하기 때문에 사전 설계된 스테이지는 항상 전통적인 설계 규칙을 따르지는 않습니다. 관성 불일치를 예로 들어보겠습니다. 일반적으로 미리 구성된 증폭기와 모터 조합의 게인 설정을 사용할 때 발생하는 문제를 방지하기 위해 페이로드 관성과 모터 관성의 비율을 20:1 미만으로 유지하는 것이 좋습니다. 그러나 많은 사전 설계된 스테이지는 200:1(예를 들어 회전 테이블의 경우 4,500:1까지)의 비율을 가지면서도 오버슈트 없이 정밀한 움직임을 구현합니다. 이러한 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 지정에 사용되지만 CNC 기계에도 적합합니다. 사전 설계된 스테이지를 가장 많이 사용하는 기계는 반도체 용융 접합기, 습식 실험 장비, 레이저 절단기, 포장 장비 및 실험실 자동화 장비입니다.
사전 설계된 스테이지는 신뢰성 또한 높습니다. 새로운 모션 시스템을 시운전할 때, 사소해 보이는 개별 부품들이 제대로 작동하지 않아 고장이 발생하는 경우가 있습니다. 예를 들어, 커넥터 하나만으로도 기계 전체가 멈춰버릴 수 있습니다. 사전 설계된 스테이지는 기계에 설치하기 전에 조립 및 테스트를 거치기 때문에 이러한 문제가 발생하지 않습니다.

예시: 직선 운동
선형 구동 장치가 두 가지 다른 동작을 수행하는 애플리케이션을 고려해 보겠습니다. 하나는 400mm/sec의 속도로 이동하는 장거리 동작이고, 다른 하나는 150ms 이내에 목표 위치에서 10µm 이내의 정밀도로 안정화되어야 하는 13mm의 고속 조그 동작입니다. 이동 질량은 38kg이며, 1µm 광학 선형 엔코더의 피드백을 기반으로 목표 양방향 정밀도는 ±5µm입니다.

기존의 XY 볼스크류 스테이지는 제작자가 고가의 백래시 제로 버전을 선택하지 않는 한 정밀도가 충분하지 않습니다. 선형 모터도 또 다른 옵션이지만, 이 용도에는 크기가 크고 비용이 많이 듭니다. 300N의 연속적인 힘을 내려면 긴 모터 코일이 필요하기 때문입니다. 또한 긴 코일은 전체 설계에 상당한 변경을 요구하여 다른 옵션보다 50% 더 비싸집니다.

서보벨트(ServoBelt) 선형 액추에이터를 기반으로 사전 설계된 이 다축 스테이지는 반도체 제조 설비에 추가하기 전에 테스트를 거칩니다. 이 스테이지는 백래시가 전혀 없으므로 설계자는 동적 요구 사항에 맞춰 제어를 조정할 수 있습니다. 이 설비에서 빠른 인덱스 이동을 구현하는 유일한 방법은 선형 엔코더를 사용하여 서보 루프를 닫는 것인데, 이를 위해서는 모터에서 페이로드까지 백래시가 없는 구동계가 필요하기 때문에 이러한 백래시 없는 제어는 매우 유용합니다.
반면, 벨트 구동 방식의 사전 설계된 스테이지는 비용 효율적입니다. 선형 엔코더만을 사용하는 단일 루프 제어로도 작동 가능하기 때문에 이중 루프 제어가 필요하지 않습니다. 또한, 이 드라이브는 본질적으로 높은 기계적 감쇠 특성을 가지고 있어 제어기의 튜닝 게인을 높여(속도 및 위치 게인의 최대 4배) 정착 시간을 단축할 수 있습니다. 이와 대조적으로, 선형 모터는 서보 증폭기 전자 장치에서 감쇠를 시뮬레이션해야 하므로 위치 게인이 제한됩니다.

예시: 회전 운동
다른 응용 사례를 살펴보겠습니다. 3축 CNC 데스크톱 밀링 머신은 일반적으로 절삭 공구의 위치를 ​​​​조정하기 위해 선형 운동 시스템을 사용합니다. 이와 대조적으로, 사전 설계된 스테이지는 회전 및 선형 위치 조정을 결합합니다. 이 스테이지에서는 벨트로 구동되는 두 개의 회전 장치가 대구경 회전 베어링에서 하중을 지지하며 서로 마주 보고 있습니다. 하나는 150,000rpm의 공압식 스핀들을 구동하고, 다른 하나는 공작물을 고정하고 180° 회전시켜 절삭 공구가 40 × 40 × 40mm 부피 내의 공작물 표면의 어느 지점에든 접근할 수 있도록 합니다.

이 CNC 밀링 머신은 필요한 만큼만 구성된 사전 설계된 스테이지를 사용합니다. 이 용도는 위치 정확도보다는 표면 마감이 중요하므로 엔코더를 사용하지 않고 개방 루프 방식으로 작동합니다(이를 통해 기계당 수천 달러를 절약할 수 있습니다).
스크류 구동식 선형 액추에이터는 선형 축을 구동하지만, 절삭 헤드가 있는 회전 장치는 공작물을 고정하는 장치에 대해 축 방향으로 이동할 수 있습니다. 세 장치는 모두 동기화되어 움직입니다. 선형 축은 Z축 위치 지정을 담당하고 절삭 공구를 공작물 면으로 이동시킵니다.

회전식 설계는 견고하여 가공 공차를 충족하는 데 도움이 됩니다. 평생 윤활 옵션은 오염 가능성을 줄여주며, 두 회전 스테이지의 액추에이터는 절삭 챔버 벽에 있는 간단한 회전식 씰을 통해 연결됩니다. 이 씰은 내부 작동 부품을 절삭유와 비산하는 세라믹 분진으로부터 보호합니다. 반면, XYZ 스테이지는 부피가 큰 벨로우즈와 아르마딜로 커버가 필요합니다.

절삭 공구와 공작물의 회전 위치 제어에는 일반적인 CNC 운동학에서 사용하는 직교 좌표계가 아닌 극좌표계가 사용됩니다. 컨트롤러는 XYZ G 코드 명령을 입력받아 실시간으로 극좌표계로 변환합니다. 이러한 방식의 장점은 무엇일까요? 회전 운동은 선형 운동보다 매끄러운 표면 마감을 구현하는 데 더 효과적입니다. 아무리 우수한 선형 베어링이나 볼 스크류라도 볼이 하중을 받고 빠져나오는 과정에서 "진동"이 발생하기 때문입니다. 이 진동은 모션 시스템 전체에 전달되어 부품 표면에 주기적인 표면 품질 변화로 나타날 수 있습니다.