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에어 베어링: 모션 애플리케이션에서 언제 사용하고 피할 것인가

에어 베어링 활용이 적합한 환경 찾기



대부분의 모션 애플리케이션은 기계 베어링에 의해 완벽하게 제어된다. 하지만 종종 높은 정밀도, 각도 반복성, 그리고 기하학적 성능이 필요하거나 베어링 럼블이 문제가 되는 경우가 있다. 이러한 경우 에어 베어링 스테이지를 사용하면 문제를 극복할 수 있다. 에어 베어링 스테이지는 여러 가지 예압 메커니즘 중 하나를 사용해 에어쿠션 위에 떠다니는 회전식 혹은 선형 포지셔너로 기계적 접촉, 마모, 마찰 및 히스테리시스 효과를 거의 제거한다. 어떤 경우에 에어 베어링 사용이 이상적인지 소개한다.



대부분의 모션 애플리케이션은 기계 베어링의 지도(guidance)에 의해 완벽하게 처리된다. 하지만 정밀도, 각도 반복성, 그리고 기하학적 성능이 최적이어야 하는 엄격한 조건이나 서브마이크론 베어링 럼블이 문제가 되는 경우가 많다. 에어 베어링 스테이지는 이러한 상황에 도움이 될 수 있다. 에어 베어링 스테이지는 여러 가지 예압 메커니즘 중 하나를 사용해 에어쿠션 위에 떠다니는 회전식 혹은 선형 포지셔너로 기계적 접촉, 마모, 마찰 및 히스테리시스 효과를 거의 제거한다. 이러한 지표는 에어 베어링 스테이지가 당신의 애플리케이션에 적합한 선택지가 될 수 있는지 판단하는 근거가 될 것이다.

1. 마찰 없는 고정밀 포지셔닝

인코더 상의 직접 구동 모터와 고해상도 인코더는 선형 애플리케이션에서 나노미터 이내 또는 회전 애플리케이션의 10분의 1초 이내에 에어 베어링에 의해 제어되는 이동 캐리지에 위치할 수 있다. 충돌과 기계적 접촉이 부족하다는 것은 최소한의 히스테리시스 혹은 역방향 오류를 의미하며, 많은 검사와 제조 작업에 있어 굉장히 반복적이고 이상적이게 만들어준다.
에어 베어링을 사용하면 정지 마찰이 거의 없어지고, 해상도 기능이 향상되며 위치 ‘수색(hunting)’(제한 사이클)이 줄어들고 위치 반복성도 몇 가지 기본적인 인코더 개수 내에서 얻을 수 있다. 피에조(Piezo) 유도 스테이지를 통해 비슷한 정밀도를 얻을 수 있지만 이동 범위가 훨씬 작다. 자기 부상은 또 다른 옵션이다.

2. 속도 안정성 및 스캐닝

기계적인 베어링 요소가 없다는 것은 매끄럽고 제어된 속도(0.01% 이상의 안정성)를 얻을 방법이 없음을 의미한다. 관성 센서 테스트, 단층 촬영, 웨이퍼 스캐닝과 표면 프로파일링과 같은 실험 및 프로세스는 엄격하게 제어되는 속도에서 연속 동작을 수행하는 것이 가장 좋다.

3. 매우 낮은 오류 동작

선형 에어 베어링 스테이지는 매우 직선적이고 평평한 이동 경로를 가지며 피치, 롤링 및 요(yaw) 오류는 1/10 각초 이내에 측정할 수 있다. 회전 스테이지의 1 각초 미만의 오차(wobble)를 가질 수 있다.
게다가, 에어 베어링의 각도 성능은 놀라울 정도로 반복이 가능하다. 이를 통해 미러와 광학 검사, 반도체 검사, 의료기기 제조와 같이 까다로운 조건을 갖춘 애플리케이션에 적합한 최적의 부품 품질과 측정 신뢰성을 보장한다.

4. 이동함에 있어 플렉셔 스테이지가 제공할 수 있는 것 보다 큰 것이 필요할 경우

피에조 구동 플렉셔(flexure) 스테이지와 액추에이터는 고정밀 위치 고정 애플리케이션의 여러 조건을 충족할 수 있다. 그러나 이러한 설계는 대개 몇 밀리미터의 이동으로 제한된다. 25㎜ 이상 이동 시에는 공기 베어링 선형 단계를 사용하는 것이 좋다. 피아이(PI)는 최대 1미터까지 이동하며 맞춤형 디자인으로 더욱 뛰어난 기능을 선보이는 선형 공기 베어링을 제조한다.

5. 흔들림이 없거나 고속으로 회전하는 모션이 필요한 경우

회전식 에어 베어링은 유난히 딱딱하며 매우 정밀한 회전 운동을 제공할 수 있다. 반지름, 축, 흔들림 오류 모션들은 대부분의 기계식 베어링 솔루션이 제공할 수 있는 것보다 훨씬 작고 회전 동작은 롤러 요소가 없기 때문에 굉장히 매끄럽다.
회전식 위치 단계는 일반적으로 최대 600RPM의 속도를 달성하며 에어 베어링 스핀들은 고속 애플리케이션에서 사용된다. 회전 베어링 설계는 테이블의 평면을 수평 또는 수직 방향으로 장착할 수 있다.

6. 최소한의 유지 보수를 원하는 경우

마모와 파손에 대비한 접촉 부품은 없고 윤활과 같은 정기적 유지보수 절차는 없다. 에어 베어링 단계는 기본적으로 유지 관리가 필요하지 않다.
또한 마모되지 않기 때문에 시스템이 매우 안정적이다. 안정적인 모션을 위해서는 시스템의 수명 동안 성능 특성이 바뀌지 않아야 한다. 에어 배어링은 재보정할 필요가 없기 때문에 적합하다. 움직이는 케이블과 호스가 베어링 시스템에서 종종 마모될 수 있는 유일한 품목이다.

7. 청결함이 요구되는 경우

에어 베어링은 마모되지 않기 때문에 공기 중으로 이동할 수 있는 입자가 거의 없다. 따라서 광학 검사, 웨이퍼 검사, 생물 또는 제약 연구, 평면 디스플레이 검사와 같은 클린룸 애플리케이션에 이상적이다.
극히 청결한 애플리케이션의 경우, 에어 베어링은 99.9 퍼센트의 순수 질소를 사용해 작동할 것을 권장한다.

8. 정밀한 힘 제어 및 감지가 필요한 경우

에어 베어링은 마찰이 거의 없기 때문에 직접 구동 모터 혹은 음성 코일과 결합할 경우 마이크로와 나노뉴튼 힘 제어 애플리케이션에 이상적이다. 이러한 용도에는 섬세한 항목의 선택, 배치, 재료 시험 및 조정 측정 애플리케이션이 포함된다.

9. 언제 모션 컨트롤 애플리케이션에 에어 베어링을 사용을 피해야 하는가?

- 9.1 진공 환경
진공 상태에서 에어 베어링을 조작하는 것은 불가능하지는 않지만 힘들다. 진공 애플리케이션은 일반적으로 피해야 하며 대신 기계적 베어링, 자기 부상 혹은 플렉셔 시스템을 사용해야 한다.
- 9.2 매우 더러운 환경
에어 베어링은 일반적으로 깨끗한 환경에서 사용된다. 먼지, 진흙, 잔해 및 액체가 많이 있는 경우에는 일반적으로 사용을 피해야한다.
- 9.3 압축된 공기 또는 질소를 사용할 수 없는 환경
에어 베어링 사용을 위해서는 깨끗한 압축 공기 또는 질소를 지속적으로 공급해야 한다. 애플리케이션에서 이러한 공급 장치가 작동하지 않으면 에어 베어링은 사용할 수 없다.
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출처 : PI (www.physikinstrumente.com)


  기자 : 편집부 
  관련 URL :
  날짜 : 2018-12

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