모션 시스템 성능에 영향을 주는 “정밀 가공”

크기순으로 정돈된 모터와 드라이브는 컨트롤러의 마술에 휘말리기 쉽다. 그렇기 때문에 결국에 전기기계 시스템의 기계적 부분은 많은 생각과 관심을 필요로 하며, 특히 선형 변위로 회전 모터의 움직임을 변환하는 시스템에 대해서도 알아두는 것이 좋다. 적절히 지정 및 설치된 구동기와 연결되어 있지 않은 경우 최신 연속 오토 튜닝 드라이브를 탑재한 최고급 서보 모터조차도 높은 정확도와 반복 부하를 배치하지 못한다. 여기서, 우리는 성능과 수명을 감소시키는 구동기의 기계적인 부분에 의해 발생하는 문제를 살펴보아야 한다. 이번 월간 모션컨트롤에서는 모션 시스템 성능에 커다란 영향을 미치는 정밀 가공 부분에 대해 자세히 알아본다.
 

볼나사 구동기

나사 타입 구동기에서 회전 모터는 부하를 전환시키기 위해 부하와 연결된 너트에 작동하는 나사를 돌린다. 이와 달리 나사는 모터 내부에 설치된 너트가 상하로 전환하는 동안 고정된 채로 있을 수 있다. 이 글의 목적을 위해 이것을 전체의 첫 번째 모델로 가정한다. 나사의 가장 단순한 형태는 사다리꼴 나삿니와 미끄럼마찰을 기반으로 움직이는 너트를 특징을 가진 아크메 나사이다. 이 장치들은 예산에 부담스럽지 않고 예산에 민감한 애플리케이션에 가장 적합하며, 저렴한 비용과 낮은 성능 모두를 갖는 경향이 있다.

유성 기어와 다소 유사한 롤러나사는 구름마찰을 기반으로 한다. 롤러나사는 결합된 롤링 스크류의 배열에 의해 둘러싸인 삼각나사와 누름나사로 구성되어 있다. 설계는 부하를 분산 시키고 강한 힘을 포함하고 높은 신뢰성을 요구하는 애플리케이션에 적합하게 만든다. 이러한 두 가지 설계는 쓸모가 있지만 그것이 정확한 동작을 해야 할 때 볼나사 구동기 사용이 일반적인 방법이다. 볼나사 구동기는 나사와 부하를 분산하고 마찰을 최소화하는 재순환 볼 베어링에 달려있는 트래블링 너트를 기반으로 한다. 볼나사 구동기는 단일 방향에 효과적이지만 반전을 포함하는 응용 프로그램에 대한 공전이나 반동을 겪을 수 있다. 이것은 부하를 위치시키는 축의 능력을 저하시킨다.
 

구동기를 미리 설치하는 것은 어떤 작동을 없애기 위해 나사와 너트의 궤도에 볼을 거슬러 압력을 줌으로서 반동을 상쇄하는 수단을 제공한다. 이 목표를 달성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 하나의 방법은 반대 방향으로 힘을 가하도록 설계된 2개의 너트를 사용하는 것인데, 미리 설치한 기어박스와 유사하다. 대안으로, 리드-시프트 방식은 단단히 볼을 고정한 너트의 내측 및 외측 궤도 사이를 상쇄시키는 방법이 있다. 세 번째 방법은 궤도에 더 잘 맞도록 약간 볼의 크기를 증가시키는 것이다. 성능을 보장하기 위해, 반동을 제거하는 것이 필수적이다. 하위부품들은 부하 용량의 퍼센트를 나타내는 프리로드의 요구 정도는 애플리케이션의 정확성 및 반복성 사양에 달려있다.

힘 관리

볼나사는 순수 축 방향의 힘을 적용하고 지원하여 부하를 이동시키도록 설계되었다. 볼나사의 용량은 볼 너트의 전체 둘레와 길이, 볼의 full compliment의 균일한 지원을 기반으로 한다. 볼나사의 용량은 방사형 부하를 지원하도록 설계된 것이 아니다. 보쉬렉스로스사에서 직선 운동 및 어셈블리 기술에 대한 제품 판매 및 관리 매니저인 클린트 헤이즈는 부하를 밀어내는 것을 전체하중을 받치는 레일에 맞서는 기관차에 비유한다고 밝혔다. 볼나사 구동기와 모션 시스템은 일반적으로 하중을 버티기 위해 유도장치 또는 레일을 사용한다. 그들은 마모와 조기 고장을 유발하는 볼나사 왜곡으로부터 방사 또는 비틀림 순간의 하중을 방지한다.

이와 관련 클린트 헤인즈는 “만약 당신이 하향 힘이나 각틀린 배열을 가지고 있다면, 당신은 의도치 않게 나사의 능력을 저하시키는 볼의 가장자리 부분을 사용하고 있을 것이다”라며, “이것은 너트와 나사에 볼과 궤도의 파괴처럼 나사의 조기 고장으로 이어질 것이다”라고 덧붙였다. 반지름 방향의 힘뿐만 아니라, 심지어 과도한 축 방향 압축 및 장력이 문제가 될 수 있다. 여기서 고장 상태는 볼이 아닌 나사 자체에 발생한다. 한 가지 중요한 속성은 힘이다 특히 나사의 능력은 좌굴 없이 압축 하중을 견디는 것 이다.

눅 산업의 프로그램 매니저인 조나단 카스버그는 “만약 당신이 응용 프로그램의 나사에 압력을 가한다면 당신이 나사에 압력을 가하고 구부러트리기 전에 당신은 특정 부하와 직경에 도달할 수 있다”고 전했다. 즉, 적절한 설계는 하중지지뿐만 아니라 어떻게 고정물로 알려진 특징적인 구동기 자체의 지지체와 상호 작용하는가 와도 관련이 있다. 다음 옵션은 증가하는 하중을 감당 할 수 있는 능력을 순서대로 나열한 것 이다.

· 일단 고정, 타단 자유
· 양단 모두 단순 지지
· 일단이 고정 된 일단은 단순지지
· 양단 모두 고정
 

이어 카스버그는 “당신은 최적의 나사를 선택하기 전에 응용프로그램에서 하중이 어떻게 맞춰지고 단이 어떻게 고정되어지는지 어떤 일이 일어나고 있는지까지 알아봐야만 한다”라고 말했다. 볼나사의 고정물은 힘과 관련된 것들에 직접 관여할 뿐만 아니라 구동기 속도 지원에도 관여한다. 이것은 시스템의 특징에 의해 정의된 임계 속도에서 증명된 나사의 진동 축이 떨면서 돌아가는 문제를 야기한다. 축이 떨면서 돌아가는 것은 위치 정확도를 저하시킬 뿐만 아니라 기계 본체의 공진 진동을 자극시킬 수 있다

장비 제작자는 나사 성능 최적화를 위해 여러 가지 자유도를 적용하는 권한 갖는다. 더 잘 이해하기 위해, 중요한 속도 NC의 식을 보고 해수면 위치를 추측하자.
위의 방정식에서 볼 수 있듯이, 더 큰 크기의 나사로 교체하거나 설치 조건을 변경하여 임계 속도를 증가시키는 것이 가능하다. 이 모든 것들은 비용과 복잡성 증가를 수반하므로 더 큰 애플리케이션의 맥락에서 평가 될 필요가 있다.

올바른 정립

정립은 시스템 성능에 크게 영향을 미칠 수 있는 다른 문제들을 야기한다. 볼나사 구동기를 정립하는 것은 여러 요소를 포함하는 복잡한 과정이다. 다행히도, 대부분의 공급 업체는 자동으로 작업을 수행 하는 소프트웨어 패키지를 자신의 웹 사이트에 가지고 있다. 또한, 응용 프로그램 엔지니어들은 성능, 예산, 수명 등의 요구 사항을 만족하는 최적의 솔루션을 사용자들에게 소개할 수 있다. 모터 정립에서 볼나사 액추에이터를 특징짓는 일반적인 오류는 더 큰 것이 더 좋은 것 이라는 전제이다. 만약 특정 크기의 볼나사가 하중을 감당한다고 해도, 기계 제조자에 의한 작다는 인식이 있을 것이다. 그래서 그들은 단지 볼나사를 잘 보이게 하기위해 직경의 크기를 두 배 또는 세 배 확대한다. 그들은 덜 정밀한 것에 비용을 절약할 수도 있지만, 그들은 기본적으로 정밀도가 매우 높은 나사를 사용할 수 있다.

볼나사의 최대의 단점은 초기 자본 지출을 넘어선다는 것이다. 큰 나사는 큰 부하 관성을 보완하기 위해 큰 모터를 필요로 하는 결과를 초래한다. 즉, 결과적으로 소비 전력을 증가시키는 더 큰 드라이브를 필요로 한다. 대안 적으로, 프로그래머는 문제를 해결할 수 있지만 프로젝트의 사이즈와 비용증가를 해결하는 데에는 도움을 줄 수 없다. 이와 관련 업계 관계자는 “내가 할 수 있는 것은 정립 세부 사항에 관한 사실을 전달하는 것이고 그들은 ‘그래 나는 들었어, 그것은 작동 하겠지만, 시장의 인식은 너무 작다고 말한다, 그래서 그것이 잘 보이게 키울 필요가 있다’라고 말할 자유가 있다”며, “그것은 우리가 극복해야만하는 공통적인 장애물이다”라고 전했다.

이처럼 기계 강성은 시스템 성능에 상당한 악영향을 가질 수 있다. 이것은 일반적으로 움직임에 의해 공진 진동의 맥락에서 발생하지만, 이것은 또한 기계적인 정렬에 문제가 될 수 있다. 만약 기계 베이스가 하중 때문에 변형된다면 부분 기계가공이나 소다의 경우 플라스틱 포장 인쇄 여부를 확인하는 기계의 작동 오류로 나타나는 굴절을 변형시킬 것이다.

래크와 피니언

볼나사 구동기의 능력을 초과하는 응용 프로그램에서, 래크와 피니언 디자인은 좋은 선택이 될 수 있다. 엄지손가락 법칙은 항상 1-2m 길이의 나사 구동기를 사용했고, 응용 프로그램이 더 긴 길이와 정확성을 필요로 할 때에는 리니어 모터를 사용했고, 길고 부하가 적은 빠른 동작에는 벨트 구동을 사용했다. 그리고 래크와 피니언 구동기는 보다 긴 동작에서 더 강한 힘을 감당할 수 있다. 어떤 기술도 완벽하지 않지만 래크의 모든 부분들은 신중하게 정렬되고 시간 소모적이고 노동 집약적인 과정인 최적의 기계적 결과를 보장하기 위해 결합될 필요가 있다. 더 안 좋은 것은, 전통적인 래크와 피니언 솔루션이 움직임 저하와 적당한 정확도 수준 이상을 달성하는 것을 막는 높은 반발을 겪는다.

오늘날, 정교한 고정밀 설계의 출시와 함께 변화하고 있다. WITTENSTEIN사(바틀, 일리노이)의 미국 수석 응용 프로그램 기술자인 팀 브레넌은 “기존의 래크와 피니언 전력 시스템이 정확하지 않은 반면, 오늘날 래크와 피니언 설계에는 리니어 모터와 접지 볼나사 구동기에 그 성능을 비교하는 설계가 있다”며, “만약 당신이 보다 긴 작동을 하는 동안 높은 정밀도를 필요로 하는 경우, 래크와 피니언은 생각할 필요도 없다 왜냐하면 오래 사용해도 비용이 증가하지 않기 때문이다”라고 밝혔다.

반발을 제거하는 한 가지 방법은 볼나사 구동기에 대해 언급되었던 이중 너트 기술과 유사한 제 2 모터나 피니언 쌍을 추가함으로써 시스템을 프리로드 하는 것이다. 다른 개선방법은 예를 들어 높은 부하 및 조용한 운전을 지원하기 위해 보다 나은 접촉 비를 제공하는 헬리컬 피니언 기어를 사용하는 것이다. 헬리컬 피니언 기어의 사용은 시스템 안정화를 돕는다. 설치 시 매우 부드러운 장착 면과 조심스러운 결합은 시스템의 오류를 제거하고 알맞은 해결 방법과 높은 정확도를 제공하는 것이 가능하다. 기계를 설계하는 것은 전체적인 과정이다. 성능을 최적화하기 위해 설계자는 여러 문제를 해결해야한다. 위에 언급된 요소들은 가장 효과적으로 애플리케이션을 제공하고, 원하는 성능을 제공하는 정밀 선형 구동기를 선택하기 위한 시작점을 제공한다.

자료제공 | mcma(www.motioncontrolonline.org)