공장 현장에 적용된 3D프린팅 기술 사례

3D프린팅(적층 제조) 솔루션은 공장 현장 내에서 지그, 픽스처 및 툴링에 필요한 시간과 비용을 절감하고 무게도 줄일 수 있는 기회 를 제공한다. 전통적인 제조 방법을 사용하는 복잡한 맞춤형 부품 에는 비용과 시간이 많이 소요되는 것으로 알려져 있다. 그러나 공 장 생산라인에서는 적절한 지그 또는 픽스처를 사용하면 생산 속 도가 빨라지고 결과적으로 생산성이 향상된다는 것을 알고 있다. 적층 제조 방식은 부품, 픽스처 및/또는 보호 커버를 직접 프린 팅하여 툴링을 대체하거나 툴링의 필요성을 없앨 수 있는 기회를 제공한다. 하지만 이는 시작에 불과하다. 잘 설계된 툴은 보다 인 체공학적인 방식으로 제작되므로 작업자의 안전과 생산성을 높 이고 비용을 절감할 수 있다. 프로토텍 관계자는 “TPU 엘라스토머와 같이 내충격성이 뛰어 난 재료나 Nylon 12 탄소 섬유와 같이 금속 부품을 대체할 수 있 는 고강성 재료를 다양하게 사용하는 Stratasys FDM 프로세스는 공장 현장에 최적화된 방식이다”라고 말했다. 이에 따라 이 기사에서는 공장 현장에서 적층 제조 기술이 적용되 고 있는 사례를 소개하고자 한다. 첫 번째 사례:3D 프린팅된 ‘소프트 죠’ • 기업: East/West Industries • 적용제품: 3D 프린팅된 ‘소프트 죠’ • 시간 및 비용 절감 사례: 툴 생산 2일 / 총 생산 비용 절감 50% 고객 프로필: East/West Industries, Inc.는 항공기 좌석과 승무원 의 생명 구조 제품을 생산하는 데 주력하고 있는 항공우주 설계 및 제조업체이다. 1968년에 설립된 이 여성 소유 기업은 Boeing, Lockheed, Sikorsky 등의 거대 항공기 OEM에 서비스를 제공하 고 있으며 품질 및 공급업체와 관련된 상을 여러 차례 수상했다. 당면 과제: 소프트 죠는 가공 작업에서 복잡하거나 불규칙한 형태 의 부품을 고정하는 데 사용된다. 소프트 죠는 일반적으로 단순한 모양의 표준 하드 죠보다 제작하는 데 더 많은 시간과 노력이 필 요하다. East/ West Industries의 경우 표준 밀링 장비로 소프트 죠를 제작하는 과정은 너무 느리고 노동 집약적이었다. CNC 가공이 더 빠른 대안이기는 하지만 수익을 창출하는 다른 생산 작업과 동일한 리소스를 사용해야 한다. 결과적으로 두 솔루션 모두 생산 일정을 지연시키는 것이다. 솔루션: East/West Industries는 금속으로 소프트 죠를 가공하 는 대신 FDM Nylon 12CF 탄소 섬유 재료를 사용하여 Fortus 450mc로 소프트 죠를 3D 프린팅한다. 이를 통해 부품을 더 빠르 고 저렴한 비용으로 생산할 수 있으며, 일반적으로 생산 전용으로 CNC 기계를 사용하는 경우에 발생하는 기회 비용을 없앨 수도 있다. 프린팅되는 동안 인력이 필요하지 않으며 기계 가공된 금속 죠보다 쉽고 빠르게 복잡한 형상을 생산할 수 있다. 또한 탄소 섬 유 재료의 고정 표면은 손상을 일으키지 않는다. 효과: 일반적인 소프트 죠 응용 분야의 경우 East/West Industries 는 3D 프린팅이 제공하는 사실상 수작업이 필요 없는 제작 공정 덕분에 죠 생산 비용을 50% 절감했다. 3D 프린팅 덕분에 소프트 죠 준비 시간도 2일 단축되었다. 인명 구조 시스템을 구축하는 데 필요한 모든 부품에 걸쳐서 확보한 절감 효과를 결합하면 제품 준 비 기간이 최대 2주까지 단축되며, 이는 경쟁이 치열한 업계에서 귀중한 경쟁력으로 작용한다. 두 번째 사례: Comau 오버헤드 컨베이어 행거 • 기업: General Motors • 적용제품: Comau 오버헤드 컨베이어 행거 • 중량감소: 32% / 소요 시간 단축 : 75 – 80% 고객 프로필: General Motors(GM)는 전기 자동차와 자율 주행 차량 기술을 비롯하여 운송 분야의 혁신적인 개발을 주도하는 전 세계의 리더이다. 미시간주 디트로이트에 본사가 있는 GM은 6개 대륙에 16만 4000명의 직원을 두고 있다. 당면 과제: Chevy Bolt 전기 자동차를 생산하려면 조립 라인을 따 라 부품을 지지하고 배치하는 라이저로 구성된 새로운 오버헤드 컨베이어 팔레트를 설계해야 했다. 기존 컨베이어는 자동화 장비 에 과도한 툴링 하중이 가해져 드물지만 주기적으로 가동이 중단 되었다. 알루미늄 라이저가 더 가벼운 대안으로 고려되었지만, 이솔루션의 경우 정기적인 유지 보수 및 수리를 위해 컨베이어 팔레 트를 현장 밖으로 보내야 할 수도 있다. 솔루션: GM은 F900 프린터를 사용하여 알루미늄 대신 FDM Nylon 12CF(탄소 섬유) 재료로 라이저를 3D 프린팅했다. 이 재료는 알루미늄보다 가벼우면서도 강성이 뛰어나며, 예비 부품이 필요한 경우 3D 프린터에서 신속하게 생산할 수 있다. 또한 이 솔 루션을 통해 라이저를 알루미늄으로 만드는 공정에 필요한 특수 용접 및 유지 보수 관련 요구 사항으로부터 벗어날 수 있었다. 효과: Nylon 12 탄소 섬유 라이저의 무게는 각각 알루미늄에 비해 32%, 강철에 비해 72% 가볍다. 라이저를 만드는 소요 시간도 금 속 라이저의 경우 평균 9주에서 3D 프린팅 부품의 경우 2주로 단 축되어 75~80%의 시간을 절약했다. 또한 이 솔루션 덕분에 제작 및 가공 후 작업이 줄어들어 비용을 절감하고 주기적인 유지 보수 빈도를 줄일 수 있었다. 자료 제공: 프로토텍(www.prototech.co.kr)

2023-06-01

   지능형 이송 시스템 XTS, 자동 포맷 전환 기능으로 병 분류도 척척!

바르셀로나에 본사를 두고 있는 스페인 회사인 ‘Pack feeder’는 병 같은 유형의 용기를 정렬하고 배치하기 위해 고도로 자동화된 로봇 지원 시스템을 개발했다. 이 기계는 제품을 병에 채워야 하는 화장품, 제약, 식품, 가정용 세척제 및 화학 산업에서 자주 사용된다. 2002년 Tomàs Mulet 에 의해 설립된 Pack feeder는 최종 사용자에게 상당한 부가 가치 를 제공하는 혁신적인 기계 개발에 중점을 두었다. 이 접근 방식의 좋은 예는 스페인 회사의 새로운 병 분류 시스템인 ‘Pickfeeder’이 다. Pack feeder의 CEO인 Ferran Martínez에 따르면 이러한 혁 신적인 시스템은 Beckhoff(www.beckhoff.com)의 도움으로 가 능했던 것으로 알려졌다. Ferran Martínez는 “혁신을 기본 목표로 삼으려면 우리의 비전을 공유하는 기술 파트너가 필요했다. Beckhoff와 협력한 것 은 이러한 기술적 과제를 해결하기 위해서였다”고 말했다. Pickfeeder 기계 시리즈는 Beckhoff의 XTS(eXtendedTransport System)를 사용하여 전환 노력이 거의 필요 없이 포 장에서 가장 까다로운 분류 작업에 이상적인 매우 유연한 기계 개념을 구현한다(그림1). 지능형 XTS를 활용함으로써 새로운 Pickfeeder 기계 제품군은 생산 라인을 기계적으로 수정하 지 않고도 다양한 재료와 매우 다양한 크기와 모양의 병을 분류 할 수 있다. 델타 로봇과 함께 XTS를 사용하면 표준 기계의 각 개 별 병에 일반적으로 필요한 특수 성형 부품이 필요하지 않으며 Pickfeeder의 자동 전환 기능을 사용할 수 있다. 높은 프로세스 효율성 성능 요구 사항에 따라 Pickfeeder 병 정렬은 광범위한 분류 애 플리케이션을 위해 최대 4개의 델타 로봇으로 구성할 수 있다 (그림2). 4축 델타 로봇과 메카트로닉 XTS의 조합은 병 정렬을 최적화된 처리량, 출구 컨베이어로의 부드러운 이송 및 자동 형 식 전환으로 매우 다재 다능하게 만든다. Martínez는 기계의 가장 중요한 혁신은 배출 컨베이어에 병이 세워져 있는 아웃피드 (outfeed) 영역에서 병이 넘어져서 도착하는 인피드(infeed) 영 역의 분리라고 설명한다. 이러한 분리는 중앙 기계 구성 요소인 XTS에 의해 가능해졌다. Martinez는 “기존의 시스템은 로봇으로 이 두 단계를 모두 수 행한다. 반면에 엎드린 병을 잡는 데만 델타 로봇을 사용하면 속도를 최대한 활용하면서 더 작고 저렴한 로봇을 사용할 수 있다. XTS는 로봇에서 병을 받아 세워서 건네 주고 다음 기계로 옮기기 위해 컨베이어와 완벽하게 동기화되는 이상적인 솔루션이다. 이 렇게 하면 병이 잘못 배치되거나 넘어지는 것을 방지할 수 있다. 또 다른 이점은 XTS를 대각선 위치에 장착할 수 있어 시스템이 콤팩트하고 직관적이라는 점이다”라고 말했다. Pickfeeder 기계에서 XTS는 HepcoMotion의 GFX 가이드 레일과 Packfeeder에서 개발한 그리퍼를 사용한다. 이 혁신적인 기술 조합은 모양, 재질, 색상 및 취약성에 관계없이 광범위한 용기를 처리할 수 있는 범용 솔루션을 형성한다. 또한 충전 라인 내의 모든 형식 변경은 Beckhoff 멀티터치 제어판을 통해 쉽게 처리된다. Packfeeder에 따르면 이 기능은 매트 교체를 위해 각각에 대해 여러 구성 요소를 전환해야 하는 기계식 정렬 시스템에 비해 큰 이점을 나타낸다. 유연성에 초점 각 로봇의 작동 속도를 높이는 것이 Pickfeeder 프로젝트의 중요한 목표였지만 주요 초점은 형식을 자동으로 전환하는 기능에 있었다. Martínez는 “파트너와 고객의 일상적인 작업은 형상, 색상,재료, 질감 및 개선 측면에서 끝없는 컨테이너 변형을 수용하기 위해 최대 기계 유연성을 요구한다. Pickfeeder 시리즈의 성공적 인 출시는 처리 속도와 바닥 공간 요구 사항 사이의 관계를 최적 화하는 추가적인 이점으로 고객의 기대를 충족시켰다”고 말했다. 예를 들어 단일 로봇만 있는 가장 작은 모델인 Pickfeeder Single 100은 분당 120병 이상의 생산량을 달성하며, 이는 분당 70~80개 의 병을 제공하는 기존 시스템에 비해 크게 개선된 것이다. 자료제공: ControlDesign (www.controldesign.com)

2023-06-01

   올바른 기어 모터 선택을 위한 5가지 팁

다양한 응용 분야에서 완벽한 드라이브 솔루션 보장을 위해서는 충족되어야 할 각각의 고유한 요구 사항들이 있다. 전기 기어 모 터를 선택할 때, 사양에 정확히 맞추기 위해 선정할 수 있는 몇 가 지 사항이 있다. 아래의 유용한 팁은 완벽한 기어 모터를 찾는데 도움이 될 것이다. 1. 필요한 토크? 애플리케이션에서 많은 작업을 수행하는 기어 모터가 필요한 경 우(예: 자재 취급 장비, 계단 리프트 또는 환자 호이스트) 많은 토 크를 전달할 수 있는 모터가 필요할 수 있다. 빠르게 성장하는 카 라반(caravan) 시장이 좋은 예다. 가장 큰 규모의 카라반 경우도, 안전하고 정확한 이동 및 주차를 위해서 높은 토크의 원활한 출력 을 전제 조건으로 한다. 2. 필요한 동력? 용도에 맞는 전기 모터를 구입할 때는 모터가 의도한 대로 작동하 는 데 필요한 동력량을 고려하는 것이 중요하다. 모터를 구동하는 데 얼마의 힘이 필요한지, 애플리케이션에서 모터가 지속적인 시 간 동안 최대 출력으로 작동해야 하는지 여부를 고려해야 한다. 3. AC 또는 DC의 선택? 또 다른 중요한 고려 사항은 AC 또는 DC 기어드 모터를 사용할지 여부이다. 일반적으로 AC 모터는 부드럽고 조용한 작동을 제공하 며 고속으로 작동할 수 있다. 또는 일정하고 높은 토크를 달성해 야 하는 경우 DC 모터를 선택하는 것이 좋다. 애플리케이션이 전 동 휠체어와 같이 특히 조용한 작동을 요구하는 경우 AC 기어드 모터가 솔루션이 될 수 있다. 4. 필요한 배터리 전압은? 필요한 배터리 전압은 제품에 요구하는 작업에 따라 다를 수 있으 며 보다 높은 전압은 모터의 토크와 출력을 높이는 데 도움이 될 수 있다. 따라서 증가된 수준에서 전력의 일관성을 개선하기 위해 더 높은 배터리 전압을 고려할 필요가 있다. 5. 사용 요구 사항은? 기어 전기 모터를 얼마나 자주 작동할지 고려한다. 모터를 매일 계속해서 작동할 수 있으며, 이는 산업 자동화 애플리케이션에서 볼 수 있는 전형적인 작동 패턴일 것이다. 또는 작동 시간이 정지 시간 보다 더 짧을 수도 있다. 매우 까다로운 애플리케이션에는 여러 작동 요구 사항에 대처할 수 있고 내구성이 높은 AC 모터가 적합할 수 있다.

2023-06-01

   생명과학 및 산업 분야를 위한 피에조 초음파 트랜스듀서

자동화 IVD 워크플로우를 위한 초음파 세포 용해 체외 진단(IVD)을 위한 의료 기기는 현대 실험실 실습에서 필 수적인 부분이 되었다. 고도로 자동화된 시스템은 혈액, 소변, 조직과 같은 인체 샘플을 분석하여 감염성 질병, 암 또는 염증 을 감지해 신속한 진단과 표적 치료가 가능하다. IVD 분석 프 로세스에서 샘플 준비는 매우 중요하다. 가능한 한 정확하고 신속하며 오염이 없어야 하며 가급적 분석 장치 내에서 직접 수행되어야 한다. 초음파 트랜스듀서는 IVD 기기에서 컴팩트하게 적용되어 접촉 및 오염 없이 세포 구조를 완전히 분해한다. DNA와 같은 세포는 혈액 또는 다른 신체 세포에서 추출되고 바이러스 탐지시 외부 DNA를 확인할 때 직접 분석된다. 또한 초음파 장 비를 사용하면 분석 장비와 IVD용 미세 유체 유닛에서 샘플 을 효율적이고 신속하게 혼합할 수 있다.액체 핸들링 애플리케이션을 위한 초음파 트랜스듀서는 수 kHz 범위에서 강력한 진동을 발생시킨다. 에너지 소비가 상 대적으로 낮으므로 의료 기기뿐만 아니라 모바일 현장진단 (point-of-care) 솔루션에도 사용 가능하며 다른 의료 분야를 지원할 수 있다. Power Ultrasonic Transducers 랑주뱅 트랜스듀서와 같은 파워 초음파 트랜스듀서는 산업 및 생명 과학 분야의 다양한 응용 분야에서 광범위하게 사용 된다. 고품질 피에조 링은 트랜스듀서에서 초음파를 생성하여 장치의 최고점까지 증폭되고 대상 매체에서 진동을 유발한다. 커스텀 트랜스듀서 제작 가능 PI Ceramic은 30년 이상의 피에조 전문 지식을 바탕으로 고 품질의 완벽한 솔루션을 제공한다. 고객별 애플리케이션 컨설 팅부터 초음파 트랜스듀서의 개발 및 제조, 드라이브를 공급하고 최상의 피에조 시스템을 개발하기 위해 서브시스템 또 는 가상 프로토타입을 제공한다. 커스텀 트랜스듀서는 초음파 스캐너로 자동화 및 효율적인 워크플로우를 구현하는 데 필 수적이다. 트랜스듀서의 전력 소비, 재료, 공진 주파수, 진폭과 같은 매개 변수는 수정 가능하다. 자료제공: PI코리아(www.pikorea.co.kr)

2023-06-01

   VFD 60Hz의 장벽 뛰어넘어, 기어모터 시스템의 성능을 극대화하는 방법

가변 주파수 드라이브(variable frequency drives)라고 불리는 VFD의 실행은 60Hz 이하에서 하는 경우가 대부분이다. 북미 지 역의 거의 모든 VFD는 이 공칭 주파수 미만에서 작동한다. 그러 나 점점 더 많은 수의 고성능 기어모터 시스템이 VFD 작동 주파 수를 최대 80, 90 또는 120Hz까지 올려, 보다 공격적인 제어 접근 방식의 이점을 누린다. 높은 주파수에서 VFD를 작동하면 △ 관성 불일치를 줄여 안정성 향상 △ 가용 속도 범위 확대 △ 저속에서 모터 과열 제거 △ 소형 모터 사용 가능 등과 같이 기어 모터 성능 을 크게 향상할 수 있다. 그러나 이러한 이점을 얻으려면 설계시에 추가적인 고려가 필 요하다. 모터를 60Hz 이상으로 구동하면 기어비와 사용 가능 한 토크가 변경되며, 이것은 부하 토크와 조화를 이루어야 한다. 이 기사에서는 기어 모터를 60Hz 이상으로 올려야 하는 이유와 60Hz 장벽을 안전하고 효과적으로 넘는 방법을 알아보고자 한다. 또 넓은 속도 범위에 적합한 기어 모터를 선택하는 방법에 대 한 일반적 예를 살펴본다. 60Hz의 장벽 허물기 그렇다면 60Hz의 중요한 의미는 무엇인가? 북미에서 사용하도 록 설계된 VFD에서 이 작동 주파수는 유도 전동기의 일정한 토 크와 일정한 마력 영역 사이의 경계를 나타낸다(그림1 참조). 모 터의 자속으로 설명하면 일정한 토크 영역은 모터의 일정한 자 속 영역을 나타내고, 일정한 마력 영역은 모터의 약자속(field weakening) 영역에 해당한다. 60Hz는 모터의 약자속 지점이라 고도 할 수 있다. 0Hz에서 60Hz까지의 영역: • 토크가 일정하다. 토크(lb-in) = 63,025 * HP / 속도(RPM) • 전압 대 주파수 비율도 일정하다. 예를 들어 230V/30Hz는 460V/60Hz와 같다. 많은 엔지니어들은 인버터와 기어모터가 이 60Hz 임계값 주변 에서 설계되어야 한다고 가정한다. 그리고 기어 모터 공급업체 는 대부분의 카탈로그 및 사양 데이터가 60Hz에 대해 제공되 기 때문에 이 공칭 주파수를 중심으로 쉽게 설계할 수 있다. 그러 나 세심하게 설계된 드라이브 시스템과 정확한 비율을 사용하면 입증된 두 가지 제어 방법 즉, 약자속(field weakening)과 과급 (supercharging)중 하나를 사용하여 작동 주파수 한계를 60Hz 이상으로 높일 수 있다. 두 방법 모두 애플리케이션에 따라 다음 과 같은 이점을 제공한다. ▷ 관성 불일치 감소: 60Hz 이상의 구동 모터는 더 높은 입력 속도 를 수용하기 위해 더 큰 기어비가 필요하다. 비율 증가는 작동 주파수에 따라 최대 100%까지 가능하다. 이 비율 증가는 더 나은 시 스템 안정성을 위해 반영된 부하 관성을 줄여야 할 때 유용할 수 있다. 안정성을 위해서는 반영된 부하 관성이 모터 관성에 최대한 가까워야 한다. 부하 관성은 기어비의 제곱에 의해 모터 샤프트에 반영되기 때문에 속도와 비율을 높이면 반영되는 부하가 크게 줄 어든다. 예를 들어 비율을 두 배로 하면 반사 관성이 4배로 줄어 든다. ▷ 속도 범위의 확장: 60Hz 이상에서 작동하면 주어진 기어 모터 에서 사용 가능한 속도 범위를 넓힐 수 있다. VFD 작동 주파수를 60Hz 이상으로 올리면 속도 범위는 상단에서 분명히 증가된다. 그러나 하단에서도 속도 범위가 증가한다는 것은 확실하지 않다. 일반적으로 저속으로 작동하는 유도 전동기는 축에 장착된 팬이 너무 느리게 회전하여 열을 발산할 수 없게 되면 냉각 문제가 발생 한다. 별도로 배선된 송풍기는 더 시원하게 유지할 수 있지만 송풍 기는 모터의 초기 및 지속적인 운영 비용을 증가시킨다. 대체 냉각 방법에는 모터가 생성하는 토크의 양을 줄이는 것이 포함되며, 이 는 모터가 끌어오는 전류의 양을 낮춘다. 300RPM(4극 모터의 경 우 10Hz) 미만에서는 유도 모터를 충분히 냉각시키는 데 필요한 토 크 감소가 50%까지 선형으로 감소하기 시작한다(그림1 참조). 그러나 60Hz 이상의 모터를 구동하면 값비싼 송풍기나 토크 제한 없이도 저속 냉각 문제를 해결할 수 있다. 약자속 모터는 더 높은 기어비와 함께 사용되기 때문에 60Hz 이상에서 필요한 토크를 제공하는 기어모터는 본질적으로 60Hz 미만에서 여유 토크 를 갖게 된다. 결과적으로 모터는 여전히 토크 요구 사항을 충족 하면서 60Hz 미만에서 더 느리고 더 차갑게 작동할 수 있다. 즉, 60Hz 이상에서 작동하도록 크기가 조정된 기어모터는 열 버 퍼를 얻게 되어 모터가 60Hz 미만에서는 더 시원하게 작동하고 송풍기 없이 10Hz 미만에서는 작동할 수 있어 속도 범위가 상당히 확장된다. 고정토크 응용 분야에서는 이 접근 방식을 쉽게 활용할 수 있다. 그러나 많은 가변 토크 애플리케이션도 마찬가지다. ▷ 보다 작은 모터: VFD 주파수를 60Hz 이상으로 올리는 것의 또 다른 이점은 때때로 가변 토크 또는 과급 애플리케이션에서 더 작 은 모터를 사용할 수 있다는 것이다. 더 작은 모터는 과급 모터가 실제로 60Hz에서보다 120Hz에서 두 배의 전력을 갖기 때문에 발생하며, 이는 종종 많은 엔지니어에게 놀라운 일이다. 예를 들 어, 60Hz 명판이 1HP인 모터는 실제로 120Hz에서 2HP가 된다. 애플리케이션에서 더 작은 모터의 사용이 가능하면 모터 구매 가 격뿐만 아니라 지속적인 운영 비용도 절약할 수 있다. 60Hz 이상으로 구동 60Hz 이상의 모터 구동의 이점에도 불구하고 대부분의 엔지니어 는 드라이브의 주파수를 높이는 것을 고려조차 하지 않는다. 그러 나 이 색다른 제어 전략은 다양한 응용 분야에서 성능을 향상시킬 것이다. 그 중에는 컨베이어 및 호이스트와 같은 고정 토크 응용분야와 배치 믹서 또는 펌프와 같은 가변 토크 응용 분야가 있다. 애플리케이션에 관계없이 60Hz 이상으로 올리려면 사전에 약간 의 추가 작업이 필요하지만 속도, 냉각, 관성 또는 비용 문제를 해 결한다면 노력할 가치가 충분히 있을 것이다. ▷ 방법 1: 최대 60Hz 약자속 없이 최대 주파수는 60Hz로 설정한다. <그림1>에서 모터 가 송풍기 없이 안전하게 작동할 수 있는 최저 속도는 300RPM이 다. 따라서 4극 모터의 해당 주파수를 결정하려면 Hz 공식을 사 용한다. • Hz = RPM * 극 수 / 120 • Hz = 300 * 4 / 120 = 10 기어 모터에 허용되는 속도 범위는 10–60Hz이며, 이는 6:1에 불 과하여 필요 애플리케이션에 충분하지 않다. 따라서 10Hz 이하에 서 동작하기 위해서는 보조 송풍팬이 필요하다. ▷ 방법 2: 필드 약화 7.5HP에 대한 제조업체의 항복 토크(breakdown torque)를 보면 최고 속도를 85Hz에 할당하는 것이 허용된다. 1단계: 부하 토크 결정 일정한 토크 적용을 위해 항상 토크 공식에서 최고 속도를 사용한다. • TLoad = 63025 * HP / 최고 RPM • TLoad = 63025 * 7.5 / 140 = 3375lb-in 2단계: 60Hz에서 RPM 결정 최고 속도는 85Hz로 설정되어 있으므로 60Hz 속도를 계산한다. • [85 / 140] = [60 / X] • X = 99 따라서 60Hz 카탈로그에서 7.5 HP, 99 RPM을 선택한다. 3단계: 10-60Hz에서 사용 가능한 토크 결정 사용 가능한 토크 @ 10-60Hz는 열 버퍼(thermal buffer)를 제 공하는 데 필요한 부하 토크보다 높다. 토크 공식과 60Hz 속도를 이용한다. • TAvail = 63025 * HP / RPM60Hz • TAvail = 63025 * 7.5 / 99 = 4770lb-in 4단계: 저속 결정 모터의 최저 허용 속도를 결정한다. 0과 300 RPM 이하의 경사면 에 포인트가 떨어지므로 SEW의 저속 공식을 사용한다. • RPM = [600 * TLoad / TAvail ] – 300 • RPM = [600 * 3375 / 4770] – 300 = 124 Hz 공식에서, • Hz = RPM * 4 / 120 : Hz = 124 * 4 / 120 = 4 따라서 허용 가능한 속도 범위는 4~85Hz(21:1)로 충분하다. 60Hz 이상의 다른 주파수에 대해 2-4단계의 계산을 반복하면 아 래와 같은 결과가 나온다. 하단 3개 행은 속도 범위가 최소 12:1이 므로 허용 가능한 옵션이다. 그러나 최대 열 버퍼 및 최대 속도 범 위를 갖는 솔루션은 4-85Hz이다 (그림3 참조) ▷ 방법 3: 과급(supercharging) 과급 시 60Hz 이상에서는 토크 감소가 없다. 대신 10~120Hz의 일정한 토크가 있다. 그러나 VFD, 기어 감속기의 크기 또는 기타 이유로 인해 120Hz까지 가는 것이 바람직하지 않을 수 있다. 1단계: Hz 범위 결정 최대 Hz에 따라 속도 범위를 선택한다. 이 예에서는 100Hz가 원 하는 최대값이다. 10-100Hz는 정토크인데 10:1에 불과하다. 12:1 범위를 달성하려면 낮은 Hz를 계산한다. • 100 / 12 = 8Hz 따라서 8-100Hz가 필요하다. 그러나 8Hz에서 환풍기 팬을 사용 하지 않으려면 열 버퍼가 있어야 한다. 8Hz가 허용되는지 확인하 려면 다음 단계를 수행한다. 2단계: 60Hz에서 RPM 결정 최고 속도(140 RPM)가 100Hz에 할당되었으므로 60Hz 속도를 계산한다. • [100 / 140] = [60 / X] • X = 84. 따라서, • 기어비 = [1750 / 84] = 21 3단계: 60Hz에서 HP 결정 10~100Hz에서 토크는 일정하지만 HP는 비례적으로 변한다. 토 크 공식을 재배열하여 60Hz에서 필요한 HP를 계산한다. • HP60 = [ TLoad x RPM60 ] / 63025 • HP60 = [3375 x 84] / 63025 = 4.5 HP 공칭 5 HP 모터를 사용한다. 4.5보다 크므로 8Hz만큼 낮은 작동을 허용하기에 충분한 버퍼를 제공한다. 또한 방법 2에서 사용된 7.5HP 모터보다 작다. 4단계: 60Hz에서 사용 가능한 토크 결정 토크 공식을 사용하여 5 HP 모터에서 사용 가능한 토크를 계산한다. • TAvail = 63025 * HP / RPM60 • TAvail = 63025 * 5 / 84 = 3750lb-in 5단계: 최저 속도 결정 모터의 최저 허용 속도를 결정한다. 0과 300 RPM 이하의 경사면 에 포인트가 떨어지므로 SEW의 저속 공식을 사용한다. • RPM = [600 * TLoad / TAvail ] – 300 • RPM = [600 * 3375 / 3750] – 300 = 240 Hz 공식에서, • Hz = 240 * 4 / 120 = 8 따라서 8-100Hz 속도 범위는 5 HP에 서 허용된다(그림4 참조). 6단계: VFD 크기 결정 VFD에 필요한 전력은 부하에 따라 다르며 100Hz까지 증가한다. • HP100 = [3375 x 140] / 63025 = 7.5 HP 자료제공: Sew-Eurodrive(www.sew-eurodrive.com)

2023-06-01

   철 손실이 BLDC 모터 선택에 직접적으로 미치는 영향

엔지니어는 다양한 산업과 시장 전반에서 중요 장치 및 응용 제품의 성능, 효율성 및 소형 디자인을 지속적으로 개선하기 위해 노력한다. 혁신을 획기적으로 발전시키고 필수 구성 요 소의 성능과 효율성을 지속적으로 발전시키는 것이 목표이기 때문이다. 이러한 목표는 많은 사람들의 삶을 구하고 개선하 고 향상시키는 데 매우 중요한 초소형 전기 모터 분야에 특히 해당한다. 모터 성능의 한 가지 주된 측면은 기계력과 전자력의 비율로 정의되는 효율성이다. η =기계력 /전력 효율성은 모터의 가열과 소비 전력에 직접적인 영향을 미치 기 때문에 가용 공간을 최대한 활용하기위해 세심한 주의를 기울여 선택해야 한다. 이 기사에서는 BLDC 모터의 효율성 및 손실과 모터 설계 및 선택 절차에서 효율성 및 손실이 어떤 방식으로 핵심적인 역할을 하는지 살펴보도록 하겠다. BLDC 모터의 다양한 손실 BLDC 모터의 목적은 전력(U*I)을 기계적(T*ω)으로 변환하 는 것이다. 그러나 모터는 100퍼센트 완벽할 수 없기 때문에 전기력을 기계력으로 변환하는 과정에서 3가지의 주된 손실 유형인 마찰 손실, 구리 손실 및 철 손실이 발생한다. 전기력 – (마찰 손실 + 구리 손실 + 철 손실) = 기계력 • 마찰 손실: 마찰 손실은 볼/부시 베어링에 의해 발생하며 시 스템 사용(속도, 하중, 가속) 및 환경(온도, 먼지 등) 뿐만 아 니라 재료, 마모, 윤활 및 실링을 비롯한 베어링의 본질적 매 개변수에 따라서도 달라진다. • 구리 손실: 구리 손실은 줄 손실이라고도 하며, 코일의 저항 에 의해 발생한다. 토크는 전류에 선형적으로 정비례하므로 (T=k*I) 모터가 더 큰 토크를 제공할수록 구리 손실이 더 높 게 발생한다. 이 현상은 아래 이차 함수를 따른다. 구리 손실 = R * I² 모터가 가열되면 저항이 증가하여 아래 방정식에 따라 효율이 감소한다. R = R (1 + γ. ΔTemp) (*R0: 주변 저항(Ω) 값(데이터시트에 제공) γ: 구리의 0.004/°C의 저항 계수 ) • 철 손실: 철 손실은 오해하기 쉬울 수 있지만 모터 성능에 상당한 영향을 미친다. 손실은 재료에 대한 자속 변동의 주파수에 따라 크게 달라져서 모터 회 전이 빠를수록 손실이 더 크게 발생한다. 이 현상을 더 잘 이해하기 위해 작은 실험을 수행 할 수 있다. 자석을 약간의 강자성(구리 또는 알루미늄) 튜브로 던지면 떨어지는 자석의 속도가 예상보다 훨씬 느린 현상을 관찰할 수 있다. 튜브를 플라스틱으로 교체하거나 자석을 크기와 중량 이 같은 금속 조각으로 교체하여 이를 비교할 수 있다. 이런 현상이 일 어나는 이유는 무엇일까? 렌츠의 법칙에 따르면 자석이 튜브를 통과하 여 떨어질 때 자기장이 변화하여 전류를 발생시키는 변화의 반대 방향 으로 전류 흐름이 유도된다. 이 때문에 자석 속도가 느려진다. 렌츠의 법칙 : 유도 EMF =- (ΔΦ/Δt ) (ΔΦ/Δt ) =자속의 변화율 철 손실은 두 가지 현상에 의해 생성된다. ⇒ 와류(Eddy current) : 패러데이의 법칙에 따르면 자기장이 도체에 적용되면 이를 통해 전류가 발생한다. 그리고 재료에는 특정한 전기 저 항이 있기 때문에 일부 손실이 발생한다(R*I²). 와전류 손실= RI≅C. B . f . t . V RI (*C는 모터 설계와 재료에 종속된 상수 B는 재료의 자기장(T) f는 초당 자기 역전의 주파수(Hz) t는 재료의 두께(m) V는 도체의 부피(m³) ) 이전 공식을 사용하여 이러한 와전류 손실에 큰 역할을 담당하는 매개 변수를 확인할 수 있다(그림3). 자기장 역전의 주파수가 모터의 속도만큼 실질적인 영향을 미친다는 것은 놀라운 일이 아니다. 자기 장의 강도와 재료의 두께 역시 중요한 역할을 한다. 재료의 두 께가 미치는 영향을 줄이는 효과적인 방법은 핵심 재료를 라 미네이션하는 것이다. 이렇게 하면 전류가 이동할 경로가 작 아져서 하나의 큰 전류 대신 여러 개의 작은 전류로 분할된다. 손실은 전류의 제곱 값으로 발생하므로 이는 매우 효과적이 다(t/2 => i/2 => 와전류/4). 한 가지 유념할 점은 2개의 라 미네이션 사이를 흐르는 전류를 피하기 위해서는 각 라미네 이션이 코팅을 통해 서로 절연되어야 한다는 것이다. ⇒ 이력현상(Hysteresis): 자속이 강자성 재료로 역전되면 재 료가 자화되고 자기 소거되어 에너지 손실이 발생한다. 자속 밀도를 제거하려면 반대 자속을 제공하여 보자력 지점을 통 과해야 한다.(그림4) 이러한 손실은 주로 회로의 자기 유도에 따라 좌우되지만 재 료 특성(예를 들어, 투자율과 부피)과 자속 변동의 주파수에 의해서도 달라진다. 이 때문에 적합한 속도를 위한 적절한 재 료를 선택하는 것이 중요하다. 스타인메츠 방정식은 이러한 이력현상 손실을 계산하고 각 매개 변수의 영향을 효과적으 로 이해하는 데 도움이 된다. 이력현상 손실 = k * V * f * B *k 재료에 따른 상수 /V 자기 회로의 부피(m³) f 자기장의 주파수(Hz) /B 자기 회로의 최대 유도(T) / n 재료에 따른 계수(1.6~2 사이) 고성능 달성을 위한 다양한 전기 모터 설계 전기 모터에서 발생하는 다양한 손실은 모터 설계에 따라 모 터가 특정 온도를 초과할 경우 연소될 수 있으므로 최대 전력 을 제한한다. 다시 말해서 특정한 작동점(토크 및 속도)에 따 라 적절한 모터를 선택하는 것이 매우 중요하다. 줄 손실은 주 로 토크 생성 시 발생하고 철 손실은 일반적으로 높은 속도에 서 발생한다. 이 때문에 주어진 모터에서 가능한 최대 연속 토 크는 속도 증가 시 줄어든다.(그림5) 폴 수의 영향 자석의 폴 수를 바꾸면 모터 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 긴 모터에는 폴이 2개이고 고속에서 작동할 수 있 다. 그러나 폴 수를 늘리면 모터의 최대 토크가 증가하고 철 손실도 커지므로 최대 연속 속도가 줄어든다. 철 손실은 유사 한 속도에서 자속 변동의 주파수에 크게 좌우되기 때문에 폴 수를 늘리면 한 번의 모터 회전에서 변동 수가 증가한다. 와전 류 손실의 경우 증가한 주파수의 제곱으로 발생하여 모터의 효율성을 빠르게 감소시킬 수 있다. 모터의 출력 곡선은 손실을 포함하여 25°C의 공기에서 모 터의 연속 작동의 한계를 보여준다. <그림6>에서는 패키지 가 동일하지만 한 개 모터에는 폴이 2개이고 두 번째 모터에 는 폴이 4개인 Portescap 모터 2개를 비교한다. 4개 폴 모터 (22ECT60 – 토크 최적화)는 2개 폴 모터(22ECS60 – 속도 최적화)에 비해 토크 기능을 빠르게 상실하는 동시에 속도가 증가하는 것을 명확히 볼 수 있다. 결론 전기 모터를 선택할 때 모터의 한계는 열이므로 다양한 손실 을 고려하는 것이 중요하다. 철 손실은 특히 높은 속도에서 또 는 다극 높은 토크 디자인에서 모터 효율성에 핵심 역할을 한 다. 줄 손실과 철 손실 간 비율을 최적화하면 에너지가 보존되 고 개선된 장치를 개발할 수 있다.Portescap 관계자는 “이러한 특성을 철저하게 이해하고 성 능이 높고 손실은 감소된 모터를 설계하기 위해 각별히 주의 를 기울인다. 하나의 설계가 모든 응용분야에 적합한 것은 아니므로 Portescap 팀은 중요한 작동점을 가지고 장치와 응용 분야를 다루는 다양한 모터 기술 포트폴리오를 개발하기 위 해 노력하고 있다”고 말했다. 자료제공: Portescap (www.portescap.com)

2023-06-01

   소형 리니어 모션 시스템으로 휴대용 치아 3D 스캐너 개발

치과 장비회사의 설계 엔지니어에게 어려운 과제가 주어졌다. 이 회사의 개발팀은 치과 진료실에서 치아의 모습을 3D로 촬영하는 업계 최초의 휴대용 치아 스캐너를 개발해야 했던 것이다. 스캐너 의 작은 크기 때문에 시장에서 구할 수 없는 소형 선형 모션 및 측 정 시스템이 필요했다.이에 따라 설계자가 직면한 질문은 다음과 같았다. 내부적으로 새로운 선형 모션 및 측정 시스템을 개발할 것인가, 아니면 스캐 너의 고난이도 사양을 충족하기 위해 제품을 맞춤화할 수 있는 공 급 업체를 찾을 것인가. 이는 오늘날 많은 의료, 치과 및 생명 공 학 장비 회사의 엔지니어가 직면하는 문제라고 할 수 있다. 제품 개발팀은 제품을 더 작고, 더 가볍고, 보다 더 정확하게 만들어야 한다는 큰 압박을 받고 있다. 그들은 리니어 모션 및 측정 요구사 항을 충족시키기 위해 점점 더 공급업체와의 협력적인 맞춤화를 실천하고 있는 현실이다. 협업의 이점 공급업체가 원래 OEM을 위해 맞춤형 엔지니어링을 수행하는 개 념은 전혀 새로운 것이 아니다. 그러나 제품 수명 주기와 예산이 줄어들면서 더 협력적인 접근 방식이 인기를 얻고 있다. 리니어 모션 및 통합 시스템에서의 협력적인 맞춤화는 공급업체와 OEM 간의 긴밀한 파트너십을 포함한다. 밀접하고 높은 커뮤니케이션 및 투명한 관계를 유지함으로써, 설계 및 비용 측면에서의 혁신이 가능해진다.협력을 통한 이점은 다음과 같다. • 하위 어셈블리에 기능을 통합하면 구성 요소 수가 줄어듦 • 제조기반의 설계로 조립 시간과 비용 절감 • 단일 소싱은 기술 지원 및 문제 해결을 위한 단일 창구 제공 • 병렬 엔지니어링 노력으로 제품 개발시간 단축 고객 맞춤화로 인해 초기가격이 더 높아질 수 있지만 위에 언급된 이점은 일반적으로 총 소유비용을 줄이고 OEM의 비용 목표를 달 성한다. 또한 현재 시장에서 구할 수 없는 고객 중심의 제품을 만 드는 데에 일조한다. 리니어 모션과 측정을 통합 리니어 모션 및 측정 시스템은 치과 및 의료 장비, 생명 과학 기기 및 광학 시스템의 핵심 기술이다. 과거에는 이러한 기능을 통합하 기 위해 별도의 하위 시스템이 필요했다. 기존의 리니어 모션 및측정 시스템은 규모가 커서 작동을 통합하기 위해 추가 엔지니어 링 작업이 필요했다.SCHNEEBERGER는 고정 캐리지와 레일로 구성되어 최대 300m/s2의 가속도로 앞뒤 움직이는 새로운 기술인 ‘MINISCALE PLUS’를 만들었다. 이 통합 스케일을 사용하면 0.1um 분해능으 로 센서를 배치할 수 있다. 측정이 작업공정 부근에서 이루어지 기 때문에 이 장치는 움직임이 매우 정확하다. 모듈로 제공되는 MINISCALE PLUS는 OEM 제품에 간단히 적용할 수 있다. 즉, 시 스템 복잡성이 감소하고 개발 프로세스가 크게 가속화된다. 협력 파트너 선정 모든 리니어 모션 공급업체가 제품 및 시스템 맞춤화를 위해 자원 과 능력을 갖추고 있는 것은 아니다. 또 적절한 맞춤화 파트너를 선택하는 것은 가격만을 기준으로 해서는 안 된다. 공급업체를 평 가할 때 다음의 특성과 능력을 고려하는 것이 중요하다. • 리니어 모션 및 측정시스템에 중점을 두고 혁신문화로 운영되 는 깊은 엔지니어링의 전문성 • 맞춤형 제품의 새로운 생산 요구사항에 적응할 수 있는 유연한 제조 시스템. 여기에는 고품질 구성요소를 비용 효율적으로 구 축할 수 있는 린 규칙(lean rules) 및 인더스트리 4.0 프로세스 통합이 포함된다. • 납품 요구사항에 대한 안정적으로 충족되는 믿음 • 시장 수요의 변동을 수용할 수 있는 유연성 협업 통한 맞춤화 도입 최근 치과 장비 제조업체와의 프로젝트는 협력적인 맞춤화의 성 공적 적용사례를 보여준다. OEM은 환자의 치아에 대한 크라운, 브릿지, 임플란트를 위한 3D 입상을 진행할 수 있는 새로운 핸드 헬드 인트라오랄 스캐너(handheld intraoral scanner)를 제작 하고자 했다. 이 장치는 센서를 담을 수 있는 리니어 모션 및 측정 시스템이 필요하며 핸드헬드 형태로 디자인되어 극히 작고 정확 한 움직임을 수행해야 했다. 이 스캐너의 소프트웨어는 이미지를 처리하여 환자 치아를 3D로 표현한다. 회사 엔지니어링 팀은 SCHNEEBERGER의 MINISCALE PLUS 시스템이 휴대용 제품의 까다로운 요구 사항을 충족할 수 있다고 믿었으며, 이 컨셉을 프로토타입에 설치했다. SCHNEEBERGER 기술을 프로토타입에서 테스트하는 동안, 표준 MINISCALEPLUS 시스템이 최종적인 스캐너 설계에 비해 너무 크다는 사실 이 분명해졌다. 리니어 모션 및 측정 시스템은 스캐너 기능의 핵심요소다. 치 과 장비회사는 MINISCALE PLUS의 구성요소를 소형화하기 위해 SCHNEEBERGER와 협력하여 맞춤화 작업을 진행했다. 두 회사 의 엔지니어링 팀의 궁극적 설계목표는 레일의 높이를 50% 줄이 고 시스템 무게를 80g에서 3g으로 줄이는 것이었다. SCHNEEBERGER의 엔지니어링 및 제조팀은 표준 MINISCALE PLUS 시스템이 OEM의 까다로운 사양을 충족하기 위해 전면적 으로 재설계가 필요하다는 것을 인식했다. 가장 중요한 것은 제품 제조 프로세스의 모든 측면을 수정하고 최적화해야 한다는 것이 다. 이 작업에는 원재료 선택, 사전 가공, 경화, 연삭 및 조립이 포 함되었다. 또한 각 구성요소는 린 프로세스를 사용하여 생산해야 했다. 협업을 통한 맞춤화 프로젝트의 이점은 매우 인상적이었다. • OEM의 제품 개발시간을 내부 엔지니어링 구성요소에 비해 20% 단축 • 고객의 비용 목표 달성 • 통합 MINISCALE PLUS 시스템에 더 적은 수의 구성요소와 플 러그 앤 플레이 방식으로 치아 스캐너에서 바로 사용할 수 있으 므로 OEM의 조립 비용 절감 • 모션 및 측정 시스템 모두에 대한 단일 책임 창구 및 기술지원 제공 가장 중요한 것은 새로운 치아 스캐닝 시스템의 도입으로 시장에 서 상당한 경쟁 우위를 갖게 되었다는 것이었다. 치과 의사들은 가벼운 무게, 사용 용이성 및 정확성과 더불어 환자 치료 방법을 개선할 수 있는 기회에 대해 모두 환영했다. 결론 의료 및 치과 장비, 생명 과학 기기 및 광학 시스템의 크기가 작아 짐에 따라, 리니어 모션 및 측정 시스템의 혁신이 중요해지고 있 다. 협력을 통한 맞춤화는 구성요소 소형화의 혁신을 위한 실행 가능하고 비용 효율적인 접근 방식이 되었다. 깊고 집중적인 엔지니어링 전문지식을 갖춘 공급업체와 협력함으로써 OEM은 제품 개발을 가속화하고 조립 비용을 낮추며, 시장에서 최고의 경쟁우 위를 달성하는 제품을 만들 수 있다. 자료제공: Schneeberger (www.schneeberger.com)

2023-06-01

   차세대 프레임리스 모터로 수술 로봇의 성능 향상시킨다!

의사들에게 있어서 환자들의 수술을 보다 더 정확하게 진행하고, 수술 과정에서 체내 조직으로 세균과 같은 미생물이 들어가지 않 도록 하는 것은 무엇보다도 중요한 일일 것이다. 환자의 수술 결 과를 좀 더 개선하고 도움을 줄 수 있는 수술 로봇을 설계하고 제 작할 수 있다면 어떨까? 수술의 결과는 특정 케이스의 어려움과 외과의사의 기술에 따라 달라지지만, 더 나은 도구는 더 나은 치 료를 지원하는 것이 사실이다. 이에 따라 이 기사에서는 차세대 모션 엔지니어링을 통해 어떻게 차세대 수술 로봇을 개발할 수 있 는지 살펴보기로 한다. 양팔을 최대한 가깝게 위치 기존의 수술용 로봇은 작은 카메라와 가위, 집게, 바늘 홀더, 클립 애플리케이터 등과 같은 다양한 기구를 들고 있는 여러 팔을 가진 로봇으로 이루어졌다. 수술에 따라서는 시각화 카메라와 필요한 모든 기구를 동시에 수용할 수 있는 단일의 작은 절개를 통해 이상적인 절차가 수행된다.만약 당신이 어떤 외과의사에게 물어보든지, 의사들의 답은 한 결 같을 것이다. 그들은 카메라와 수술기구가 절개 부위로 들어가 는 이상적인 접근 각도는 가능한 평행하고 서로 가까울수록 좋다 고 말할 것이다. 이는 외상을 최소화하고 카메라 시야와 각도 사 이의 불일치를 없애기 위해서다. 물론 동일한 접근 각도를 얻는 것은 불가능하다. 왜냐하면 각 도구는 동일한 공간을 차지할 수 없기 때문이다. 오늘날의 수술 도구는 매우 얇고 조밀하지만, 여러 도구가 배치되는 경우 단일 기둥, 다중 팔 디자인과 팔 관절의 엄청난 부피 때문에 여러 기구 가 배치될 때 접근 각도가 제한된다. 이것은 차세대 로봇을 설계 할 때 극복해야 할 주요 과제다. 팔 관절의 축 길이 최소화 독립형 암은 기존 설계에 비해 위치 지정에 훨씬 더 큰 유연성을 제공하므로 여러 암을 평행에 훨씬 더 가깝게 배치할 수 있다. 그 이상에 더 접근하려면 각 암의 부피를 최소화해야 한다. 암이 작 동할 수 있는 최소 간격은 팔 관절의 축 길이이다. 가능한 한 축 길이가 짧으면서도 필요한 모든 토크를 제공하는 모터와 기어 시 스템이 필요하다. 성능을 저해하지 않으면서도 절약된 1밀리미터 는 외과 의사들이 더 효과적으로 작업할 수 있도록 도와주며, 수 술 로봇에 대한 중요한 시장 경쟁력을 창출해 낸다. 기어링으로 시작 최적의 토크를 달성하면서도 축 길이, 총 부피 및 무게를 최소화 하는데 중요한 것은 축 길이가 짧은 고토크 모터이다. 그러나 모 터 자체의 축 길이 이상으로 기어링 및 피드백 장치도 조인트 내 에서 밀접하게 통합되어야 한다.궁극적으로 모터의 비교적 높은 속도 운동을 로봇 팔의 하중을움직이기에 필요한 낮은 속도와 높은 토크로 변환하는 것은 기어 링이다. 기어링의 선택은 조인트의 축 길이에도 영향을 미치기 때 문에 설계를 시작할 때 이곳에서 시작해야 한다. 이를 통해 로봇 팔을 최적의 속도로 정확하게 위치시키고 하중을 안정적으로 유지할 수 있다. 필요한 속도, 성능 및 하중 지점에 따라 적절한 기어 세트가 결 정된다. 어떤 비율이 요구되더라도 이 애플리케이션에는 스트레 인 웨이브 기술 즉 ‘하모닉’ 기어링이 필요하다.스트레인 웨이브 기어링은 세 가지 필수적인 이점을 제공한다. 관절 내에서 가장 컴팩트한 축 통합을 가능하게 한다. 일반적으로 는 기어 감속비가 30:1에서 320:1에 이르기 때문에 부드럽게 가 속·감속하고 정확하게 위치를 배치시킨다. 또 제로 백래시로 작 동하여 절차의 정밀도에 잠재적으로 영향을 미치거나 불필요한 외상을 유발할 수 있는 원치 않는 움직임을 최소화한다. 기어링과 열 요구조건에 부합되는 모터 적절한 기어 기술과 비율을 지정했으면 기어 비율, 암이 작동해야 하는 속도 및 유지해야 하는 질량에 따라 모터를 선택할 수 있다. 일반 또는 최대 부하에서 작동할 때 열 상승도 중요한 고려 사항 이 될 수 있다. 조인트의 좁은 범위에서 과도한 열이 기어 윤활제, 엔코더 전자 장치 및 근접한 기타 구성 요소를 손상시킬 수 있기 때문이다. 더 낮은 열 상승에서 최대 성능을 제공할 수 있는 모터 가 바람직하다. D2L 규칙 활용 모터 사양 프로세스의 일부로 D2L 규칙이라고 하는 그리고 자주 간과되는 모터 설계 원칙을 통해 축 길이를 더 줄일 수 있다. 로봇 관절 설계에서 모터의 직경은 일반적으로 사소한 문제다. 로봇 팔 이 최대한 가깝게 작동하도록 하려면 대신 축 길이를 최소화해야 한다. D2L 규칙을 사용하면 축 길이를 크게 줄이기 위해 더 큰 직 경을 교환할 수 있다.로봇 관절에 사용되는 프레임리스 모터에서는 모터 길이의 변 화에 정비례하여 토크가 증가하거나 감소하지만, 모터의 모멘트 암 제곱 변화에 비례해 증가하거나 감소한다. 다시 말해 D2L 규칙에 따라 모멘트 암을 두 배로 늘리면 전체 직경이 대략 두 배가 되며 토크가 4배 증가된다. 또는 수술용 로봇 설계와 관련하여 모멘트 암을 두 배로 늘리면 동일한 토크를 유지하면서 스택 높이를 4배 줄일 수 있다. 이는 설계 우선 순위가 가장 작은 축 길이를 달 성하는 것일 때 큰 이점이다. TBM2G로기계 및 열 효율 최적화 차세대 수술 로봇 성능을 위해 로봇 애플리케이션용으로 특별히 설계된 차세대 모터를 선택하면 좋다. Kollmorgen의 TBM2G 프 레임리스 모터는 직면한 모든 엔지니어링 문제를 해결하도록 설 계되었다.TBM2G 모터는 가장 컴팩트한 로봇 조인트에서 전례 없는 기 계적, 전기적 및 열적 효율성을 제공한다. 종단 회전 및 PC 보드를 포함하여 축 방향 길이가 1인치 미만인 크기로 제공되며 크기에 비해 모션 업계에서 가장 높은 토크 밀도를 제공한다. 또 훨씬 낮 은 열 상승으로 필요한 모든 성능을 제공하도록 설계되어 로봇 관 절에 있는 모든 구성 요소의 무결성과 성능을 보호해야 한다.TBM2G 모터는 또한 사용자 지정이나 수정이 필요 없이 쉽게 사용할 수 있는 제로 백래시, 높은 비율의 스트레인 웨이브 기어 세트와 함께 작동하도록 최적화되어 있다. 따라서 개발 시간을 단 축하고 신뢰할 수 있는 생산 공급에 의존하며 의사가 가능한 한 근접하고 병렬에 가깝게 기구를 작동할 수 있는 수술 로봇을 제공 할 수 있다. 자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)

2023-06-01

파워 오프 브레이크(power-off brakes) 설계 시 고려해야 할 12가지 주요 사항

파워 오프 브레이크(power-off brakes)에 대한 새로운 애플리케 이션의 확산은 브레이크 제조업체의 축적된 설계 경험을 활용하 는 새로운 설계 접근 방식을 요구한다. 수명, 비용 및 성능에 대한 설계 최적화의 핵심은 브레이크 제조업체와의 조기 협업이다. 모 션 제어 산업의 기계 설계자는 파워 오프 브레이크를 ‘홀딩 브레 이크, 스프링 적용 브레이크, 안전 장치 브레이크, 주차 브레이크, 음성 작동 브레이크 및 영구 자석 브레이크’ 등의 용어로 인식하 고 있다. 엔지니어가 뭐라고 부르든 이 브레이크는 동일한 용도로 사용된다. 대부분의 경우 이러한 브레이크는 정지, 유지 또는 비 상 비상 정지 기능을 통해 동작 제어를 관리하여 안전 장치 역할 을 한다. 또한 정확도 또는 위치 지정을 제공한다. 스프링식 브레이크는 유압식, 공압식, 전기식 또는 수동식으로 작동하지만 여기서는 전기적으로 작동되는 전자기식 브레이크에 중점을 둘 것이다. 이는 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 스프 링 적용 브레이크이며 시장이 빠르게 성장하고 있다. 다양한 응용분야에서 볼 수 있는 스프링 적용 전기 작동 브레이크의 가장 일 반적인 경우는 서보 모터, 로봇, 모바일 로봇, 창고 자동화, 휠 드 라이브, 호이스트, 엘리베이터, 도어 및 게이트, 산업 자동화, 수술 도구, 그리퍼, 컨베이어, 액추에이터, 자동차 자동화, 엘리베이터 및 에스컬레이터 등의 응용 분야이다. 이 기사에서는 파워 오프 브레이크에 대한 주요 설계 매개변수와 접근 방식에 대해 간략히 설명한다. 1. 파워 오프 브레이크 토크 파워 오프브레이크를 지정할 때 대답해야 할 첫 번째 질문은 “축 에 필요한 토크는 얼마인가?”이다. 브레이크의 두 가지 토크 등급 은 정적 토크와 동적 토크이다. 휠 구동 브레이크와 같은 응용 분 야에서 요구 사항은 일반적으로 정적 토크와 관련된 기능인 홀딩 전용이다. 여기서 모터는 차량을 정지시킨 다음 브레이크가 작동 한다. 따라서 여기서는 정적 토크가 주요 관심사이다. 전기 자동차 또는 유사한 애플리케이션의 경우 엔지니어는 부 하(차량이 주차할 수 있는 경사도 포함)를 포함한 차량의 최대 중 량도 고려해야 한다. 경사면에서 유지하는 데 필요한 토크는 평평 한 지형에서 필요한 유지 토크보다 훨씬 크다. 때로는 주어진 홀 딩 브레이크의 필수 기능을 지시하는 규정이나 산업 표준도 있다. 반면 일부 장비에는 정지 또는 비상 정지를 위한 브레이크가 필 요하다. 예를 들어 전기 자동차가 언덕 아래로 속도를 내며 이동 하는 동안 중단된 전력의 달갑지 않은 시나리오를 생각해야 한다. 여기서 브레이크는 일정 시간 또는 거리 내에 차량을 정지시키기 위해 적절한 토크 등급이 필요하다. 특정 브레이크의 경우 동적 정지(일반적으로 비상 정지) 기능은 정적 토크 정격이 의미하는 것보다 훨씬 적다. 이 동적 정지 기능 은 맞물림 속도, 열 분산 기능 및 브레이크 작업 표면에 사용되는재료에 따라 크게 달라진다. 속도가 빨라지면 최대 에너지 소산 능 력이 감소한다. 간헐적인 동적 정지가 포함된 애플리케이션의 경 우 브레이크 제조업체에 문의하여 △ 적용 조건 △ e-stop △ 제품 수명 동안 허용되는 총 참여 에너지 등에 대해 논의해야 한다. 브레이크 토크 요구 사항을 줄이는 가장 좋은 방법 중 하나는 축의 동력 전달 어셈블리의 고속 쪽에 브레이크를 장착하는 것 이다. 브레이크를 장착하는 일반적인 위치는 모터의 백엔드이다. ‘다운스트림’ 저속 측면에 브레이크를 장착하면 비례적으로 토크 가 증가한다. 즉 보다 크고 보다 비싼 브레이크가 필요하다. 반대 로 기어박스의 ‘업스트림’ 브레이크를 유지한다는 것은 해당 브레 이크로 다시 반사되는 페이로드 및 드라이브트레인 관성이 감소 한다는 것을 의미한다. 2. 파워 오프 브레이크 전압 설계의 전원 시스템에서 사용할 수 있는 전압은 얼마인가? 대 부분의 산업 응용 분야에서 가장 일반적인 전압은 역사적으로 24Vdc였다. 많은 엔진 구동 애플리케이션의 경우 내장된 12V 배 터리가 브레이크에 전원을 공급하거나 엔진이 전원을 공급할 수 도 있다. 항공 우주 애플리케이션은 종종 28V 소스를 사용한다.전원이 공급되는 모바일 장비의 경우 48V가 옵션이다. 보다 큰 브레이크의 경우 P = V·I 이기 때문에 72V 또는 90V가 자주 사용 되며 더 높은 전압에서 전달되는 더 높은 요구 전력은 더 낮은 전 류를 허용한다. 새로운 애플리케이션을 위한 브레이크를 선택할 때 설계의 전원을 고려하고 브레이크 공급업체와 협력하여 해당 전압에 대한 브레이크 코일을 확보해야 한다. 3. 파워 오프 브레이크 속도 속도는 토크 질문과 유사하다. 교전 속도인지 언로드 속도인지에 따라 다르다. 홀딩 브레이크 설계는 0rpm에서 맞물리기 위한 것 이므로 고려해야 할 유일한 속도는 무부하 속도이다. 4. 파워 오프 브레이크 크기 다양한 파워 오프 브레이크 크기가 있다. 가장 작은 것은 직경이 10mm 이하이며 주로 마이크로 모터에 사용된다. 호이스트 또는 엘리베이터에서 가장 큰 전자기 스프링 적용 브레이크는 상당히 방대하다. 최신 트렌드는 초박형 브레이크이다. 가장 얇은 브레 이크의 범위는 ½인치 또는 12mm이다. 이것의 상당 부분은 로봇 공학 붐과 전기 휠 드라이브 시장의 성장의 결과이다.로봇의 경우, 로봇 관절의 얇은 브레이크를 통해 더 작은 조립, 더 낮은 관성 및 시스템 처리량을 높일 수 있다. 휠 드라이브의 경 우, 두 개의 모터가 인라인으로 장착되는 경우가 많으며 축 방향 공간이 매우 제한적이다. 종종 초박형 브레이크는 팬케이크형 구 동 모터에 장착된다. 특수 브레이크 바디는 더 많은 공간을 절약 하기 위해 모터의 엔드 벨 역할을 할 수도 있다.크기와 토크 사이의 관계는 물리 법칙에 의해 정의된다. 그러나 동력 제어는 수년에 걸쳐 더욱 정교해지고 상업적으로 실용적이 되었다. 또한 몇 년 전의 설계와 비교할 때 더 작은 패키지에서 더 많은 토크를 얻을 수 있다. 선택된 브레이크는 이제 과여자를 사 용하여 스프링 힘을 극복하여 브레이크를 해제한다. 빠른 분리 후 브레이크의 인덕턴스(자기 강도)가 증가하고 브레이크를 분리된 상태로 유지하면서 필요한 전력이 줄어든다. 이는 열과 전력 소비 에도 도움이 된다. 5. 파워 오프 브레이크 마모 브레이크 마모는 동적 결합의 결과이다. 동적 맞물림 에너지와 마 찰 표면의 마모 사이에는 직접적인 관계가 있다. 설계 수명은 원 하는 사이클 수와 결합된 이 마모율을 기반으로 한다. 홀딩 브레 이크에는 정적 결합 전용으로 설계된 재료가 사용된다. 마찰 계수 가 높기 때문에 더 작은 크기로 더 높은 토크를 제공하지만 단점 은 반복되는 동적 맞물림을 견딜 수 없다는 것이다. 동적 정지를 위해 설계된 브레이크의 마찰재는 내구성이 매우 뛰어나며 원하 는 수명을 위한 적절한 브레이크 선택을 결정하기 위해 정지 응용 프로그램과 홀딩 전용 응용 프로그램을 구별하는 것이 중요하다. 6. 파워 오프 브레이크 온도 열은 클러치나 브레이크의 최악의 적이다. 동적 결합은 열을 발 생시킨다. 브레이크 코일을 통해 흐르는 전류는 열을 발생시킨다. 온도가 상승하면 코일의 저항이 증가하고 일정한 전압으로 전류 가 떨어진다. V=I×R 즉, 마모로 인해 내부 공극이 증가하고 온도 가 코일 저항을 증가시키면 전류가 상대적으로 낮아지기 때문에 브레이크를 해제하기가 더 어렵다. 추운 온도에서는 브레이크 코 일 저항이 감소하고 브레이크가 더 쉽게 맞물리므로 얼음 또는 기 타 열 수축이 문제를 일으키지 않는다. 브레이크를 지정할 때 환경 및 듀티 사이클과 함께 극한 온도를 고려하는 것이 중요하다. 첫째, 역동적인 교전이 있는 경우 수명은 주기 수에 따라 달라진다. 둘째, 높은 듀티 사이클로 인해 열이 증가한다. 열은 브레이 크 코일을 통해 흐르는 전류를 통해 발생한다. 두 표면이 접촉하 고 하중이 느려지거나 멈출 때 일시적인 미끄러짐을 경험할 때 동 적 맞물림 중에 생성된다. 최대 온도 제한을 초과하지 않고 브레 이크 부품이 원하는 제품 수명 동안 지속되도록 설계할 수 있도록 브레이크 공급업체와 듀티 사이클을 검토하는 것이 중요하다. 7. 전력 소비 및 열 스프링 적용 브레이크로 전력 소비를 줄이고 열 축적을 줄이는 한 가지 방법은 펄스 폭 변조 또는 PWM을 사용하는 것이다. 브레이 크가 맞물리면 코일 본체와 압력판 사이에 공극이 있다. 브레이크 코일에 전류를 가하면 전자기 플럭스가 에어갭을 가로질러 이동 하고 압력판이 코일 본체 쪽으로 당겨진다. 이는 제동 토크에 수 직력을 공급하는 스프링을 압축한다. 그러면 브레이크가 자유롭 게 회전한다. 처음에는 최대 전력으로 브레이크를 해제한다. 브레이크가 해제되면 압력판과 코일 본체 사이에 더 이상 공극 이 존재하지 않는다. 이것은 인덕턴스가 변경됨을 의미한다. 자기 력이 강하므로 이제 브레이크를 해제된 상태로 유지하는 데 훨씬 적은 동력이 필요하다. PWM을 사용하면 브레이크가 해제된 상 태로 유지되는 동안 평균 전력(전압)을 대략적으로 50%까지 크 게 줄일 수 있다. 이것은 브레이크를 더 시원하게 유지하고 전력 소비를 줄이다. 후자는 특히 배터리 구동식 장비에 유용하다.비교 가능한 결과를 제공하는 또 다른 접근 방식은 과여자를 사 용하여 브레이크를 해제하는 것이다. 이를 위해 설계된 브레이크 의 경우 더 작은 스프링 적용 브레이크가 더 많은 토크를 전달할 수 있다. 예를 들어 24V는 브레이크가 해제되는 동안 잠시 동안 12V 브레이크 코일에 전원을 공급한다. 분리가 완료되면 전압이 떨어진다. 8. 파워 오프 브레이크 응답 시간 로봇 및 의료 응용 분야에서 응답 시간은 종종 위치 지정 및 정확도에 중요하다. 이는 브레이크 연결 및 해제 시간 모두와 관련이 있다. 빠른 브레이크 결합이 중요한 애플리케이션의 경우, 제너 다이오드가 브레이크 결합 속도를 높이는 데 도움이 된다. 브레이 크 코일에서 전원이 제거되면 자연적으로 자속이 감소하는 데 약 간의 시간이 걸린다. 제너 다이오드 회로를 사용하여 전자기장을 더 빨리 붕괴시켜 스프링이 브레이크에 맞물리도록 돕는다. 앞서언급한 과여자는 브레이크 해제 응답 시간을 개선하기 위한 제어 방법이다. 9. 파워 오프 브레이크 환경 과거에는 대부분의 실내 산업용 애플리케이션이 열악한 환경에 거의 노출되지 않았다. 오늘날 그 어느 때보다 더 많은 애플리케 이션이 극한의 온도, 오염 물질 및 높은 상대 습도에 노출되어 있 다. 이는 부분적으로는 더 높은 수준의 자동화 때문이고 부분적으 로는 배터리 구동 장비 시장의 성장 때문이다. 골프 카트의 전동 휠 드라이브와 승강기용 브레이크에도 수년 동안 고무 링을 사용 하여 스프링 적용 브레이크의 노출된 마찰재를 덮었다. 이것은 효 과적인 방법임이 입증되었다. 다른 방법에는 브레이크를 완전히 둘러싸는 방법이 포함되며, 이는 상당한 비용을 추가할 수 있다. 브레이크의 마찰 영역을 보 호하는 또 다른 방법은 코일 본체를 연장하여 모터 엔드 벨과 짝 을 이루는 것이다. 이 경우 홈과 O-링이 밀봉을 더욱 향상시킨다. 환경으로부터 브레이크를 보호하는 간단한 방법은 전체 브레이 크에 덮개를 추가하는 것이다. 이것은 모터 또는 어댑터 플레이트 에 볼트로 고정된다. 설계 과정 초기에 극한 온대 지역을 고려해야 한다. 상대 습도 가 높고 장비가 영하의 온도에 있는 경우 브레이크 마찰 영역에 서 습기를 제거하는 것이 중요하다. 젖은 표면은 마찰 계수가 낮 기 때문에 토크 등급을 낮출 수 있다. 또한 이슬 맺힌 표면이 얼어 문제를 일으킬 수 있다. 매우 뜨거운 설정도 문제다. 온도가 높을 수록 코일 저항이 증가하고 전자기 플럭스가 브레이크의 공극을 가로질러 이동하기가 더 어려워지기 때문에 열이 문제가 된다. 설 상가상으로 브레이크 마모가 발생한 후 공극이 증가한다. 더 높은 온도는 또한 시간이 지남에 따라 와이어 절연을 저하시키고 유용 한 브레이크 수명을 줄인다. 이러한 이유로 새로운 애플리케이션 을 위한 브레이크의 크기를 조정하고 선택할 때 최대 작동 온도, 듀티 사이클 및 제품 수명을 고려하는 것이 필수적이다. 10. 파워 오프 브레이크 백래시 백래시는 의료 장비 또는 반도체 제조와 같은 정밀 애플리케이션 또는 로봇과 같은 높은 순환 애플리케이션을 구축할 때 고려해야 할 특히 중요한 설계 고려 사항이다. 종종 설계 품질은 이 브레이 크 백래시 수준에 따라 달라진다. 제한적이거나 제로에 가까운 백래시를 생성하는 특정 설계 요소가 있다. 또한 제한된 백래시를 보존하거나 원치 않는 마모 또는 백래시 조건의 확장에 기여하는 브레이크의 내부 기능이 있다. 낮은 백래시가 중요한 설계 요소인 경우 장비 제조업체가 애플리케이션 요구 사항에 맞는 설계에 대 해 브레이크 전문가와 협력하는 것이 가장 좋다. 11. 파워 오프 브레이크 수동 해제 때때로 서비스 간격, 종료 또는 전원 중단 중에 수동으로 브레이크 를 해제해야 한다. 스프링 적용 브레이크에서 이 작동은 전기적으 로 발생하지만 기계적으로 발생할 수도 있다. 더 작은 브레이크는 물리적으로 브레이크를 미끄러지기 쉽기 때문에 수동 해제가 필요 하지 않을 수 있다. 높은 비율의 기어박스는 이것을 더 어렵게 만들 수 있다. 더 높은 토크 정격을 가진 더 큰 브레이크의 경우 가장 간 단한 방법은 브레이크에 나사식 수동 해제 구멍을 포함하는 것이 다. 릴리스 볼트는 브레이크를 해제하는 코일 본체에 대해 압력판 을 수동으로 민다. 원하는 경우 수동 해제 레버를 사용할 수 있으며 시장에는 수많은 디자인이 있다. 이 레버는 작업자가 브레이크에 물리적으로 접근하지 않고도 브레이크를 해제할 수 있도록 케이블 풀에 부착할 수 있다. 압력판의 작동 거리는 매우 작으며 브레이크 의 내부 공극을 기반으로 한다. 결국 수동 해제는 의도치 않게 발생 하는 경우가 많으며 가장 간단한 방법이 가장 좋은 경우가 많다. 12. 파워 오프 브레이크 비용 이 기사의 초점은 전자기 스프링 적용 파워 오프 브레이크이다. 그러나 전자기 영구 자석을 적용한 브레이크도 있다. 스프링 적용 브레이크는 전 세계적으로 훨씬 더 인기 있는 선택이므로 더 많은 제조업체에서 더 낮은 비용으로 더 많은 양을 생산한다. 대조적으 로 영구 자석 브레이크는 상대적으로 비용이 많이 들지만 특정 응 용 분야에 이점을 제공한다. 토크 밀도가 매우 높기 때문에 때때 로 주어진 구성 요소 크기에 대해 더 많은 토크를 제공한다. 영구 자석 브레이크는 제어가 필요한 응용 분야에서도 탁월하다. 반면 에 스프링 적용 브레이크는 켜져 있거나 꺼져 있으며 결합 시간이 매우 빠르다. 새로운 적용을 위한 브레이크를 고려할 때 비용, 성 능 및 수명 목표의 균형을 가장 잘 맞추는 브레이크를 선택하기 위해 제조업체에 문의하는 것이 좋다. 자료제공: ogura (ogura-clutch.com)

2023-05-16

스테퍼 모터 솔루션의 기능과 이점

스테퍼 모터(Stepper motor)는 표준 가변 속도 모터(standard variable speed motors)보다는 더 정밀해야 하지만, 서보 모터 (servo motor)보다는 비용과 복잡성이 더 낮은 모션 제어 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 산업용 기계는 일반적으로 정밀하고 강력하게 구동해야 하는 많은 운동 요소로 구성된다. 설계자는 비용을 절감하기 위해 공압 식 옵션을 선택하거나 최대 힘이 필요할 때 유압식 대안을 선택할 수 있다. 그러나 정확성, 속도, 전력, 내구성 및 운영 비용을 모두 고려할 때 가장 일반적인 구동력은 일반적으로 전기 모터에 의해 서다. 특히 어떤 형태의 전기 모터를 사용하여 이동 시스템의 위 치, 속도 및 가속도를 명령하는 자동화 시스템의 기능을 일반적으 로 모션 제어라고 한다. 표준 AC 유도 및 DC 모터는 고정 속도 또는 가변 속도에서 온/ 오프 및 연속 작동에 적합하다. 그러나 간헐적인 작동과 세심한 포지셔닝 타겟, 자동화 기계에 사용되는 속도/가속 프로파일은 더 많은 능력을 갖춘 기술을 요구한다. 서보 컨트롤러, 드라이브및 모터는 이와 관련하여 뛰어난 성능을 제공할 수 있지만 복잡성 으로 인해 재료 및 설계 비용이 증가한다. 많은 응용 분야에서 스테퍼 모터 솔루션은 필요한 성능을 제공 하는 최적의 위치를 차지하지만 서보 솔루션보다 훨씬 저렴한 비 용으로 제공된다. 이 기사에서는 DC 스테퍼 모터 솔루션의 기능 과 이점을 식별하고 더 많은 응용 분야에서 기술을 실현할 수 있 는 새로운 고전압 스타일을 소개한다. 전기 모터 옵션 모든 유형의 모터 제어를 구현하려면 일반적으로 모터, 드라이브, 컨트롤러 및 전원 공급 장치를 지정해야 한다. 대부분의 경우 이 러한 기능 중 일부는 구성 요소에 결합되거나 단순화될 수 있다. 예를 들어, AC 유도 모터는 간단한 온/오프 컨택터로 구동 및 제 어할 수 있으며 AC 설비 전원으로 전원을 공급받을 수 있다. 그러나 서보 모터에는 일반적으로 분리되어 있지만 모터에 물 리적으로 부착된 드라이브가 필요하다. 드라이브에는 온보드 동 작 제어 및 시퀀싱 기능이 있거나 별도의 상위 수준 동작 컨트롤 러 또는 PLC(프로그램 가능 논리 컨트롤러)에서 명령을 내릴 수 있다. 여러 모터 기술이 기계, 장비 및 프로세스 자동화의 다양한 측면에 적합하다. • AC 인덕션 모터: 정확한 작동이 덜 중요한 다양한 크기와 마력 범위에 유용하다. 일반적으로 단일 속도 작동에 사용되지만 가 변 주파수 드라이브(VFD)로 속도 조절이 가능하다. • DC 모터: 저속에서 우수한 토크와 필요한 DC 드라이브로 합리 적인 속도 제어가 달성된다. • DC 스테퍼 모터: 더 낮은 속도와 작은 힘 요구 사항의 경우 스테 퍼 모터는 매우 빠르게 발생할 수 있는 작은 이산 스텝으로 이동하도록 펄스에 의해 명령을 받기 때문에 표준 AC 또는 DC 모터 보다 더 나은 제어 분해능을 제공한다. • 높은 버스 전압 스테퍼 모터: DC 스테퍼 모터와 비슷하지만 드 라이브가 AC 전원을 수용하고 더 높은 DC 버스 전압을 생성하 는 데 사용하기 때문에 이 스타일은 낮은 전압에 비해 속도와 토 크가 더 높다. 그러나 DC 스테퍼와 마찬가지로 속도가 증가하 면 토크가 떨어지고 스테퍼 모터는 일반적으로 분당 1,000회전 (rpm) 미만에서 가장 잘 작동한다. • 서보 모터: 서보 컨트롤러 및 서보 드라이브와 결합하면 서보 모 터는 속도 범위 전체에서 최대 토크로 고속을 제공하고 복잡한 프로파일을 통해서도 위치, 속도 및 가속도를 매우 정밀하게 제 어한다. 그러나 하드웨어 비용과 구성 노력은 스테퍼 구현 비용 의 최대 4배에 달하는 모터 기술의 경우 가장 높다. 전기 등급과 호환성을 준수하는 경우, 여러 공급업체에서 제공 하는 모터, 드라이브 및 컨트롤러를 혼합할 수 있다. 그러나 많은 사용자는 서보 모터의 경우 최고의 호환성과 지원을 위해 단일 벤 더 포트폴리오 내에서 제품을 선택하는 것이 가장 효과적이라는 것을 알고 있다. AC 유도 및 DC 모터는 설치 및 유지 관리가 가장 쉬운 것으로 간주되는 반면, 스테퍼와 서보 모두 추가 하드웨어, 설계 요구 사 항 및 설치 노력으로 인해 더 많은 문제가 있다. 그러나 진정한 모 션 제어 성능을 얻으려면 일반적으로 스테퍼와 서보가 필요하다. 모션 제어에 사용되는 모터는 부하를 직접 또는 기어박스, 톱니 가 있는 풀리 및 벨트(부드럽거나 V-벨트 유형이 아님), 랙 및 피 니언 설정 또는 대상 장비 요소를 회전 또는 선형으로 구동하는 기타 메커니즘을 통해 작동할 수 있다. 이러한 포지티브 기계식 모션 전송 방법은 모터 모션이 부하 모션과 직접 관련되도록 한다. 일부 모션 애플리케이션은 위치 피드백이 제한되어 있거나 피 드백이 없어도 잘 작동한다. 그러나 더 나은 안정성과 고성능 솔 루션을 위해 시스템은 모터 피드백에서 가장 잘 작동한다. 개방 vs 폐쇄 루프 모션 제어 개방 루프 모터 작동은 스타터 또는 드라이브에 의해 모터가 작동 하도록 명령을 받지만 모터 위치 또는 속도가 직접 모니터링되지 않아 정확도에 대한 피드백이 없다. 폐루프 모터 작동은 모터에 센서를 설치하고 드라이브 또는 컨트롤러에 연결하여 시스템이모터 속도 또는 위치를 더 잘 제어할 수 있도록 작동 피드백을 제 공함으로써 달성된다. 개방 루프 제어는 모터 속도 조절 또는 위치의 확실한 확인이 필요하지 않은 애플리케이션에 적합하다. 때때로 제어 시스템은 어느 정도의 피드백을 제공하기 위해 구동 장비를 외부에서 모니 터링한다. 예를 들어 앞뒤로 이동하고 각 이동 끝에 전기 제한 스 위치가 있는 크레인 갠트리가 있다. PLC는 모터를 앞뒤로 제어하 고 메커니즘의 끝에서 멈출 수 있다. 상자접기, 제품 배치 및 라벨링 요소가 위치에 도달하기 위해 정밀하게 제어되어야 하는 포장 기계의 메커니즘과 같은 정확한 모션 제어 및 기계 응용 분야에는 폐쇄 루프 제어가 필요하다. 스테퍼 모터를 폐쇄 루프로 작동하는 것이 가능하고 보편화되 고 있다. 반면에 서보 모터는 본질적으로 폐쇄 루프로 작동한다. 대부분의 스테퍼 모터는 AC 유도 및 DC 모터보다 더 나은 위치 명령이 있지만 서보 모터의 폐쇄 루프 피드백이 없는 중간 접지에 있다. 실제로 스테퍼 모터와 서보 모터의 적용에서 가장 큰 차이 점은 종종 개방 루프 피드백과 폐쇄 루프 피드백이다. 스테퍼 모터를 폐쇄 루프 시스템으로 구현할 수 있도록 피드백 을 추가하는 방법이 있다. 또한 드라이브가 통합된 일부 고급 스 테퍼 모터가 제공되고 있으며 폐쇄 루프 제어 형태를 제공한다. 스테퍼 모터는 서보 모터에 비해 저렴한 모션 제어 대안으로 간 주될 수 있지만 스테퍼에는 몇 가지 다른 장점이 있다. 스테퍼 모 터는 속도가 0일 때 지터/디더(jitter/dither)가 없다. 중력이나 다른 힘으로 인한 일정한 부하가 없는 응용 분야의 경우 일부 스 테퍼 드라이브에는 에너지를 절약하고 샤프트가 정지 상태일 때 헤딩을 줄이는 유휴 전류 감소 옵션이 있을 수 있다. 작동 시, 모션 제어 애플리케이션의 각 이동 경로는 회전이든 선형이든 관계없이 축이라고 한다. 제품 픽 앤 플레이스 그리퍼의 X, Y 및 Z 위치와 같이 여러 축을 함께 조정해야 하는 경우가 있 다. 이 경우, 모션 컨트롤러는 이러한 애플리케이션을 위해 인덱 서라고도 하는 내장형 경로 계획을 포함할 수 있다. 그러나 스테 퍼는 최적의 솔루션을 제공하는 단일 축 애플리케이션이 많이 적 용된다. 스테퍼 사양 스테퍼 시스템은 일반적으로 펄스에 의해 명령된다. 드라이브로 들어가는 각 펄스는 모터가 한 스텝 이동하도록 지시하며 일반적으로 각 360도 회전에 대해 200스텝이 있으므로 각 스텝은 1.8도 의 이동을 나타낸다. 각 애플리케이션에 대해 사용자는 스텝 모 드, 컨트롤러, 스텝 펄스 및 신호 유형, 위치 확인 및 모터 크기를 고려해야 한다. 스텝 모드 전체 스텝 모드에서 컨트롤러는 완전한 모터 1회전을 달성하기 위해 200스텝(펄스)를 생성해야 한다. 그러나 대부분의 사용자는 스텝의 코깅 효과로 인해 풀스 텝 모드가 거칠기 때문에 사용하지 않는다. 대신 많은 사용자는 완전한 회전에 필요한 펄스 수를 각각 두 배와 네 배로 늘리는 하프 스텝 또는 쿼터 스텝 모드를 선택한다. 일부 스테퍼 드라이브는 완전한 혁명을 위해 최대 50,000 스텝을 요구할 수 있는 마이크로 스텝 모드를 지원한다. 일반적인 마이크 로스테핑 드라이브에는 마이크로스테핑 분해능에 사용할 수 있 는 여러 가지 설정이 있다. 다음 고려 사항은 컨트롤러가 얼마나 빨리 펄스를 생성할 수 있 는지 보여준다. 컨트롤러가 초당 100,000 펄스(100kHz)를 생성 할 수 있는 경우 다음 모드는 다음과 같은 속도를 생성할 수 있다. • 400스텝/회전(하프스텝): 250rps 또는 15,000rpm • 800스텝/회전(1/4스텝): 500rps 또는 7,500rpm • 10,000스텝/회전: 10rps 또는 600rpm • 50,000스텝/회전: 2rps 또는 120rpm 정확성, 매끄러움, 속도 및 힘 사이에는 본질적인 절충점이 있 으며 주요 절충점은 해상도와 속도 사이에 있다. 미세한 스텝 모드는 정확성과 부드러움을 향상시키지만 결국 컨트롤러 펄스 생 성 또는 드라이브 응답 제약으로 인해 최대 속도를 제한한다. 스테퍼 모터에 내재된 또 다른 고려 사항은 속도가 증가함에 따 라 사용 가능한 토크가 감소하므로 설계자는 전송 배열과 모터 속 도의 균형을 맞춰야 한다는 것이다. 스테퍼 컨트롤러 스테퍼 컨트롤러는 모터가 회전해야 하는 거리와 회전 속도를 자 세히 설명하는 명령을 생성한다. 복잡성이 증가하는 몇 가지 모션 예는 다음과 같다. • 고정된 속도로 이동 • 여러 걸음 이동 후 정지 • 한 속도에서 다른 속도로 가속 (리니어 모션) • 한 정지 위치에서 다른 위치로 여러 스텝을 이동한다. 먼저 목표 속도로 가속한 다음 목표 위치에서 다시 0 속도로 감속한다 (사 다리꼴 모션, 그림1). • 한 속도에서 다른 속도로 가속한다 (S자 곡선 모션, 그림2). 기본 스테퍼 드라이브는 지능형이 아니며 컨트롤러에서 고속 펄스 트레인을 수신하여 모터 작동에 필요한 전압으로 증폭한다. 더 많은 기능을 갖춘 스테퍼 드라이브에는 고급 기능을 수행하는 제어 인텔리전스가 포함되어 있으며 통신 프로토콜을 통합하여 더 높은 수준의 자동화 구성 요소와 상호 작용할 수 있다.일부 컨트롤러 옵션은 PLC, 마이크로 컨트롤러 또는 고속 디지 털 출력이 있는 PC 또는 전용 모션 컨트롤러를 사용하여 기본 스 테퍼 드라이브에 명령을 내리는 것이다. 컨트롤러는 모든 논리 및동작 활동을 조율하고 드라이브는 모터를 작동하는 데 필요한 전 압 펄스를 생성한다. PLC 옵션은 많은 기계가 이미 PLC에 의해 자동화되었기 때문에 매력적이다. 따라서 스테퍼 구동 비용을 최 소화하면서 동작 동작을 컨트롤러 프로그램과 긴밀하게 통합할 수 있다. 고속 개별 출력 카드가 장착된 PLC는 이러한 유형의 단 일 축 기계 제어를 구현하는 효과적인 방법이다. 스텝 펄스 및 신호 ▷ 고속 펄스 컨트롤러가 스테퍼 드라이브로 보내는 고속 펄스는 원하는 동작 을 함께 정의하는 방향과 펄스 주파수를 인코딩해야 한다. 세 가 지 주요 유형이 있다. • 펄스/방향(가장 일반적인 방법) • 시계방향(CW) / 반시계방향(CCW) • A/B 구적법 설계자는 호환 가능한 컨트롤러 및 드라이브 펄스 방법을 선택 해야 한다. 또 펄스 신호의 전기적 특성은 오픈 콜렉터, 라인 드라 이버 또는 푸시-풀일 수 있다. 다시 말하지만 직접 선택하거나 적 절한 신호 컨디셔너를 사용하여 조정해야 한다. ▷ 아날로그 신호 스테퍼 모터는 사용자가 알려진 거리나 지정된 위치로 모터를 이 동하도록 명령해야 할 때 주로 사용되지만 명령된 회전 속도를 제 공하는 데 사용할 수 있다. 사용자는 0-10Vdc 또는 4-20mA와 같은 표준 산업용 아날로그 신호를 수용하는 드라이브를 선택하 기만 하면 드라이브가 자체 펄스 트레인을 생성한다. 예를 들어, 4mA는 정격 모터 속도의 0%에 해당하고 20mA는 100%(또는 원 하는 최대 속도)에 해당할 수 있다. 이러한 형태의 제어는 펄스 신 호만큼 정확하지는 않지만 소형 턴테이블이나 컨베이어와 같이 지속적으로 회전하는 장비에 적합한 경우가 많다. 이러한 경우 설 계자는 DC 드라이브와 관련 모터 및 기어박스를 선택하는 대신 대 형 스테퍼 드라이브와 드라이브 장비를 직접 지정할 수 있다. ▷ 이산 입력(Discrete Inputs) 및 디지털 통신 가장 지능적인 스테퍼 드라이브에는 미니 컨트롤러가 내장되어 있어 간단한 켜기/끄기 신호에 의해 트리거 되거나 상위 수준 컨트롤러의 고급 통신에 의해 시작되는 조정 가능한 매개변수 및 사 전 구성된 이동으로 프로그래밍할 수 있다. 이 방법은 고급 지점 간 이동이 지능형 스테퍼 드라이브에 의해 직접 처리되기 때문에 상위 레벨 컨트롤러의 부담을 효과적으로 덜어준다. 이산 신호는 일반적으로 24Vdc 또는 건식 접점이다. 일부 지능형 스테퍼 드라 이브는 다음과 같이 널리 사용되는 산업용 네트워킹 프로토콜과 함께 작동할 수 있다. • ASCII/직렬 • 모드버스 RTU 또는 모드버스 TCP • 이더넷/IP • PROFIBUS 또는 PROFINET 이러한 산업용 프로토콜은 빠르고 많은 양의 데이터 통신을 허 용하지만 타이밍이 충분히 정확하여 실시간 이동을 실행할 만큼 빠르지 않다는 우려가 있을 수 있다. 이러한 경우, 드라이브 입력 에 연결된 이산 제어 출력이 중요한 이동을 시작하는 동안 스마트 스테퍼 드라이브에서 매개변수를 사전 구성하고 세부 정보를 이 동하기 위해 상위 레벨 컨트롤러에 산업용 프로토콜을 사용하는 하이브리드 접근 방식이 가능하다. ▷ 원점 복귀 및 위치 확인 컨트롤러 유형 및 신호 방법에 관계없이 스테퍼 모터는 컨트롤러 가 원점 복귀라는 절차인 홈 위치를 학습한 후에만 정확한 위치 이동을 수행할 수 있다. 또한 주기적 위치 확인을 사용하여 후속 작업 중에 정확한 움직임을 확인할 수 있다. 복귀 절차는 후속 페이로드의 실제 무게를 결정하기 전에 영점 을 맞춰야 하는 저울과 같이 향후 이동을 위한 위치 기준선을 설 정하는 기능을 한다. 스테퍼 컨트롤러의 경우 펄스 카운트 적산 기는 알려진 홈 위치에서 0이 되며 이 위치를 기준으로 향후 모든 이동이 계산된다. 원점 복귀는 일반적으로 장비 전원을 켤 때 수행해야 하며 이후 필요에 따라 간헐적으로 수행할 수 있으며 이 작업을 수행하는 데 약간의 시간이 걸릴 수 있다. 위치 검증은 유사한 활동이지만 일 반적으로 위치가 예상대로인지 확인하는 데 사용되는 빠른 확인 이다. 문제가 감지되면 원점 복귀 절차를 수행하여 포지셔닝 기준 선을 다시 설정해야 한다. 엄격한 응용 프로그램은 각 주기 또는 작업에 대해 아마도 한 번(또는 그 이상) 빈번한 위치 확인을 요구할 것이다. 원점복귀를 수행하는 한 가지 방법은 구동 메커니즘의 알려진 위치에 위치 스위치를 설치하는 것이다. 스테퍼 컨트롤러/드라이 브 조합이 홈 위치를 학습할 준비가 되면 예상 위치로 빠르게 이동 한다. 위치 스위치가 트리거되는 즉시 컨트롤러는 펄스 카운트 토 털라이저를 제로화하여 새로운 홈 위치를 효과적으로 학습한다. 정확성을 향상시키기 위한 이 절차의 개선 사항은 장비를 홈 위 치 스위치에서 천천히 끄고 스위치가 트리거 되지 않을 때 기록하 여 훨씬 더 정확한 홈 위치를 생성하는 것이다. 위치 확인은 비슷 하지만 작동 주기를 통해 장비가 정상적으로 이동하는 동안 하나 이상의 위치에서 위치 스위치를 검사할 수 있다. 구동 장비 또는 스테퍼 모터 자체에 증분 또는 절대 인코더를 설치하고 컨트롤러가 동작 활동을 모니터링할 수 있도록 연결할 수도 있다(그림3). 이러한 방식으로 사용되는 인코더는 폐쇄 루 프 작동을 제공하여 위치를 확인한다. 이를 통해 컨트롤러는 웹을 구동할 때와 같이 미끄러짐을 감지하거나 자동화 프로그램이 작 동하거나 운영자에게 알릴 수 있도록 과부하 또는 정지된 모터 상 태를 식별할 수 있다. 속도 제어 모드에서 인코더는 적절한 작동 속도를 확인한다. 일부 인코더에는 회전에서 알려진 위치를 식별하는 Z-펄스라 고도 하는 내장형 마커 펄스가 있다. 일부 애플리케이션에서 이 마커 펄스는 외부 스위치와 함께 사용되어 스테퍼 모터를 홈으로 설정할 수 있다. 마커 펄스가 있는 대부분의 인코더는 공장에서 고정된 위치로 구성되어 출고되므로 장비에 설치하고 시운전할때 상대 위치를 처음에 학습해야 한다. 일부 최신 인코더에는 하 드웨어/물리적 조정이 필요 없이 설치 중에 원하는 대로 설정할 수 있는 구성 가능한 마커 펄스가 있다. 위치 검증과 관련된 사실은 많은 모션 시스템이 이동 끝 및 초 과 이동 제한 스위치를 필요로 한다는 사실이다. 이 스위치는 기 계적 한계에 도달했을 때 모터가 멈추거나 장비가 손상되는 것을 방지하기 위해 작동 중에 컨트롤러가 모니터링할 수 있다. 이 스 위치는 작동 중에 모터가 정지되어 동기화가 손실되었음을 나타 내기 위해 작동 중에 경보를 울리거나 위치 확인 작업을 시작할 수 있다. ▷ 모터 크기 스테퍼 모터는 많은 표준 NEMA 크기로 제공되며 NEMA 14에서 최대 NEMA 34 범위의 모터가 일반적으로 사용된다. 그것들은 크기가 콤팩트하고 일반적으로 몇 인치 제곱을 넘지 않아 기계로 쉽게 설계할 수 있다. 7.5 HP AC 모터의 토크를 제공하는 NEMA 42와 같은 더 큰 스테퍼 모터를 사용할 수 있지만 이러한 더 큰 모터는 정격 최대 속도가 훨씬 더 낮다. 업계에서 경험으로 볼 수 있는 한 가지 규칙은 잠재적인 실속 상태를 피하기 위해 예상 부 하가 사용 가능한 토크의 50%만 사용하도록 스테퍼 모터 및 드 라이브의 크기를 지정하는 것이다. 현재 문제가 있는 짧은 과부하 를 처리할 수 있는 AC 유도 및 서보 모터와 비교할 때 스테퍼에는 과부하 기능이 없기 때문이다. 결론 AC 유도 및 DC 모터는 안정적이고 기본적인 모션 제어 방법으로 잘 알려져 있다. 마찬가지로 대부분의 설계자는 서보 모터가 로봇 공학과 같은 가장 까다로운 동작 제어 응용 분야를 위한 고성능 솔루션이라는 것을 알고 있다.스테퍼 모터는 많은 응용 분야에서 유리한 선택이 될 수 있으며 적합할 경우 가장 비용 효율적인 옵션이 될 것이다. 정확한 단일 축 또는 제한된 다축 모션 제어가 필요한 저출력 응용 분야의 경 우 위치 스위치 및/또는 인코더와 함께 사용되는 스테퍼 모터 및 드라이브는 서보 모터 시스템 비용의 약 25%로 기계를 안정적으로 작동한다. 자료제공: AutomationDirect (www.AutomationDirect.com)

2023-05-16

혁신적인 패키징 시스템 구축을 위한 Mitsubishi 서보 모터

케이스 포장기 및 트레이 포장기를 전문으로 하는 포장장비 제조 업체인 Hamrick Manufacturing(www.hamrickmfg.com, 이하 Hamrick)은 Mitsubishi Electric(www.mitsubishielectric. com)의 솔루션을 접목함으로써 섬세한 포장과 새로운 자동 포장 시스템을 설계하는 데에 성공했다. 이번 기사에서는 Hamrick 의 Controls Engineering 매니저인 Jeff Eckstein을 통해 Mitsubishi 솔루션 구축 성공사례에 대해 자세히 들어보았다. Hamrick, 강력하고 컴팩트한 서보 모터 찾아 Hamrick은 새로운 자동 포장 시스템을 설계해야 하는 문제에 직면했을 때, 가능한 가장 작은 공간에 힘, 정밀성 및 부드러운 터치 를 결합하는 로봇의 픽 앤 팩 솔루션을 찾고 싶었다. 강력하면서 도 컴팩트한 서보 모터를 찾는 것이 가장 우선 순위였던 것이다.Hamrick의 Jeff Eckstein은 이에 대 해 “모두가 원하는 모터는 가장 작고, 가장 강력하고, 가장 빠른 것이다. 이 새로운 기계의 고객은 복잡하고 섬 세한 라벨이 붙은 용기에 담긴 다양 한 단백질 분말을 골라 포장해야 했 다. 정밀하게 제어되는 자동화를 구축 하면 라벨을 보호할 뿐만 아니라 서로다른 제품 간에 더 빠르고 쉽게 전환할 수 있다. 그들은 이 라인에 서 약 20개의 서로 다른 SKU를 운영한다. 그들은 한 제품을 1~2 주 동안 연속으로 실행할 수 있었고 하루에 세 가지 다른 제품을 실행할 수도 있다. 그들은 프로세스 속도를 높이고 전환 중 작업 자 오류를 제거하기를 원했다”라고 설명했다. 복잡한 전환에는 1/4 회전 나사와 수동 크랭크를 사용하여 여러 매개변수를 수동으로 설정하는 작업이 포함되어 있다. Jeff Eckstein은 “눈금자에 대한 한 사람의 인식을 기반으로 무언가를 저울 아래로 밀고 많은 조정을 할 것이다. 매번 최대 30분 이 소요될 수 있는 작업이며, 매우 복잡한 프로세스이다. 그들은 서로 다른 모든 SKU 간의 가동 중지 시간을 줄이는 방식으로 자 동화하기를 원했다. 필러는 분당 40개 이상의 병을 가동하므로 여러 번 교체하는 데 1시간 30분이면 많은 병이 된다. 기계가 생 산하지 않는 매 순간이 버려지는 돈이다”라고 그는 덧붙였다. 컴팩트한 모터,3000rpm 및 2.0 Nm 토크 Jeff Eckstein은 “수년 동안 Mitsubishi의 VFD(variable frequency drives; 가변 주파수 드라이브)를 사용해 왔다. Mitsubishi 유통업체인 Shaltz Automation에 전화를 걸어 1.0 Nm 이상의 토크와 1000 RPM 이상이 필요하다고 말했다. 그것은 우리가 원하는 서 보 모터의 크기에서 찾을 수 있는 가장 빠르고 강력한 것이었다.몇 가지 조사를 한 후 3000rpm과 2.0 Nm 토크의 솔루션을 가지 고 왔다. 이것은 예상했던 것의 두 배 이상의 성능이었다” 라고 말했다.그는 이어 “HG-KR23K 서보 모터의 크기를 확인했고 크기가 완벽했다. 모터를 위한 공간이 많지 않은 17축 기계 어셈블리 내 부에 모터를 배치했기 때문에 모터 자체는 컴팩트해야 했다. 그런 다음 새 기계는 FR-E800 VFD 및 EtherNet/IP 증폭기를 비롯한 다른 Mitsubishi 구성 요소를 중심으로 발전했다. 그리고 우리가 궁극적으로 개발한 기계는 각 패키지를 부드럽게 배치할 수 있을 만큼 충분히 정밀한 제어 기능을 갖추고 있었다”고 덧붙였다. 이더넷/IP 통합으로 제어 간소화 로봇의 세계에 익숙하지 않은 사람들을 위해 이더넷은 사무실 환 경에서와 공장 현장 로봇 작동에서 다소 다르게 작동한다. 파일 및 프린터에 액세스하는 대신, 공장 현장 컨트롤러는 드라이브 시 스템, 작업자 워크스테이션 및 I/O 장치에 내장된 데이터에 액세 스해야 한다. 그리고 모든 작업을 실시간으로 또는 가능한 한 근 접하게 수행해야 한다.Ethernet/IP는 실시간 제어 애플리케이션에 사용되는 일련의 고급 데이터 통신 표준이다. Mitsubishi 서보 모터의 경우를 포함 하여 다양한 유형의 제품에서 일관된 자동화 기능을 촉진하기 위 해 객체 지향 설계를 사용한다. Mitsubishi 서보 모터에는 자체 정보장치가 내장되어 있기 때문에 Ethernet/IP 네트워크는 훨씬 적은 양의 정보를 전송해야 한다. 이것이 바로 PLC가 더 간단하고저렴할 수 있는 이유이다.Jeff Eckstein은 “서보가 A지점에서 B지점으로 이동하는 데 필 요한 작업과 거기에 도달하는 속도, 감속 속도, 수학, 알고리즘 및 프로그래밍 등 모든 것을 처리한다. 서보 드라이브 내부는 GPS 시스템이라고 생각하면 된다. PLC가 점 단위 방향을 제공하는 대 신 서보 모터가 모든 작업을 수행한다”고 말했다. 전환 시간이30분에서 40초로 단축 이 모든 첨단 기술의 결과에 대해 Eckstein은 다음과 같이 말했다. “픽 앤 플레이 부분의 경우 모터가 우리가 사용하던 것보다 더좋고 부드럽게 작동하기 때문에 성능이 향상되었다고 말할 수 있 다. Mitsubishi가 우리에게 제공한 크기도 더 정확했다. 또 전환 시간이 대폭 단축되기 때문에 고객은 더 많은 처리량을 얻게 됐 다. 이제 우리는 40초 안에 전환을 할 수 있었다.” 첨단 기술이 기계 설계에 통합되었음에도 불구하고 Eckstein의 관점에서 가장 눈에 띄는 것은 Hamrick이 Shaltz Automation과 Mitsubishi에서 받은 추가 마일리지 서비스이다.Eckstein은 “고객은 우리가 예상한 대로 제품을 제공할 수 없었 다. 이로 인해 개발이 지연되었지만 기한은 동일하게 유지되었다. 우리는 마감일에 이 기계를 출시하기 위해 할 수 있는 모든 일을 했 다. Mitsubishi는 우리가 모든 것을 통합하고 원활한 프로세스를 만 드는 데 도움을 주기 위해 최선의 노력을 다했다”고 말했다. 자료제공: Mitsubishi Electric(www.mitsubishielectric.com)

2023-05-16

뇌졸중 환자 재활 위한 외골격 로봇 구동의 혁신

최근 뇌의 질환, 그 중에서도 뇌졸중 환자들이 늘어나고 있는 상황 에서 뇌졸중 환자들의 재활에도 많은 관심이 쏠리고 있다. 뇌졸중 환자들은 독립성과 삶의 질을 되찾기 위해 효율적인 재활과 개선이 시급하다. 그러나 전통적인 물리 치료 수단만으로는 효과적인 재활 을 기대할 수 없는 것이 현실이다. 종종 뇌졸중 직후(아마도 1~2일 이내) 환자는 뇌졸중으로 마비된 팔다리를 사용하는 방법을 다시 배울 수 있도록 집중 치료실에서 물리 치료를 받는 경우가 많다. 효과적인 치료는 신경근 생리학(neuromuscular physiology) 의 원리를 기반으로 해야 하며, 진정한 기능 회복을 위해 조정된 움직임과 힘을 사용하여 사람 관절 사이의 신경학적 결합을 활용 할 수 있다. 어깨 재활은 어깨의 복잡성과 운동 범위로 인해 전통 적인 치료 형태에 상당한 장애가 되기 때문에 물리 치료의 가장 어려운 형태 중 하나로 간주된다. ‘Harmony’라고 불리는 새로 개발된 외골격 로봇은 뇌졸중 생존자를 위한 어깨 치료의 효과를 크게 향상시킬 수 있는 매우 민 감하고 반복 가능한 플랫폼을 만들어 이러한 문제를 정확하게 해 결하도록 설계되었다.Harmonic Bionics는 혁신적인 재활 로봇 플랫폼을 개발하기 위해 2016년에 설립되었다. 그들의 Harmony 외골격은 환자의 어깨, 팔, 손목을 감싸고 관절에 힘을 주어 환자가 다양한 동적 운 동 작업을 수행할 수 있도록 돕는다. 이를 통해 어깨 거들과 볼 및 소켓 관절 사이에서 발생하는 특정 리듬을 다시 학습하여 운동 범 위를 최대화하여 손상된 신경근 기능을 교정할 수 있다. 물리 치료사가 환자의 팔을 움직이고 움직임을 관찰하도록 돕 는 반면, 외골격은 적극적인 환자 참여를 장려하고 치료사가 팔을 마사지하거나 한 번에 여러 환자를 모니터링할 수 있도록 하는 패 러다임을 만든다. 이 플랫폼은 환자와 병원 모두에게 더 효과적인 치유를 촉진하고 좋은 결과를 유도한다. 재활 로봇은 고급 액추에이터 기술과 2㎑의 속도로 모션 데이 터를 수집하는 일련의 센서를 사용한다. 이 데이터는 사용자가 운 동 중 다양한 수준의 저항에 대한 반응 제어를 제공하는 알고리 즘에 입력된다. 설계자들은 팔을 움직일 때 외골격이 환자의 골격 구조와 동축으로 움직일 수 있도록 큰 모멘트 하중을 견딜 수 있 는 롤러 베어링이 필요했다. 이것은 회복을 돕기 위해 인간 신경 계의 왼쪽과 오른쪽 절반의 입증된 신경학적 결합을 이용하는 양 손 치료를 가능하게 하며, 또한 베어링은 작고 가벼우며 낮은 마 찰 계수(CoF)를 제공해야 했다.Harmonic Bionics의 제품 개발 책임자인 Rohit Varghese는 로봇의 하중 요구 사항과 제한된 공간을 언급하면서 “우리와 같은 외골격은 매우 독특한 문제를 가지고 있다. 이를 만족시킬 수 있는 베어링은 거의 없다. IKO의 CRBH 및 CRBF 크로스 롤러 베 어링은 아주 잘 맞았다”라고 말했다. IKO 크로스 롤러 베어링, 높은 모멘트 하중 전달 IKO의 크로스 롤러 베어링은 콤팩트하고 견고하여 로봇 및 의료장비에 매우 적합하다. 내륜과 외륜 사이에 롤러가 직각으로 교차 되어 있어 높은 회전 정밀도로 레이디얼 하중, 스러스트 하중, 모 멘트 하중을 동시에 처리할 수 있다. CRBH 크로스 롤러 베어링은 2,910~102,000N의 기본 동정격 하중, 2,430~207,000N의 기본 정정격 하중 및 20~250밀리미터의 샤프트 직경으로 제공된다. 이 시리즈는 또한 △고강성을 위해 내륜과 외륜을 하나의 구조로 일체화한 분리형 설계 △높은 회전 속도에서도 원활한 회전을 보장하는 원통형 롤러 사이의 분리기 등의 특징을 갖고 있다. Harmonic Bionics는 기본 동정격 하중이 8,610N이고 기본 정 정격 하중이 10,600N인 모델을 선택했다. 이는 100Nm의 순간 하 중 요구 사항을 충족하기에 충분한 하중 전달 능력이다. 그리고 축 직경 40㎜, 외경 65㎜, 너비 10㎜, 0.15㎏의 가벼운 무게로 설 계자는 외골격의 제한된 공간에 크로스 롤러 베어링을 통합하는 데 문제가 없었다. 그 과정에서 그들은 IKO 엔지니어링 및 영업 관리자로부터 지원을 받았다. 이 회사는 CRBH 크로스 롤러 베어링이 외골격에 가해지는 모 멘트 하중을 전달하는 가장 간단하고 콤팩트한 방법이며 환자에 게 ‘충분한 도움’을 제공한다는 사실을 발견했다. 이는 필요한 수 정 후 CRBH의 낮은 마찰계수 때문이다. 재활 로봇의 50개 이상 의 센서가 환자의 위치와 관절이 가하는 힘을 모니터링 하므로 낮은 마찰계수를 통해 시스템은 중력에 따라 환자가 받는 저항 및 지원 수준을 사용자 지정하는 알고리즘을 실행할 수 있다. 높은마찰은 그렇지 않으면 센서 측정을 손상시킬 수 있다. 엔지니어들은 프로토타입 로봇을 제작하면서 IKO의 CRBF 베어 링이 가치 있는 도구라고 판단했다. CRBH 시리즈와 마찬가지로 CRBF에는 교차 롤러 설계가 있다. 내부 및 외부 링 모두에 장착 구멍 이 있으므로 엔지니어는 기계 가공, 특수 하우징 또는 마이크로미터 수준의 베어링 공차에 대한 고정 플레이트 없이 베어링을 설치할 수 있었다. 마운팅 홀은 회사가 생산 장치용 CRBH 시리즈로 전환하기 전에 공간을 절약하고 조립을 단순화했다. 뇌졸중 후 물리 치료와 생존자의 삶의 변화 재활 로봇은 뇌졸중 환자를 대상으로 한 파일럿 임상 연구 외에 도 건강한 사람을 대상으로 한 광범위한 임상 시험을 거쳤으며, Harmonic Bionics는 CRBH가 자신들의 기대에 부응하고 있다 고 말했다. Harmonic Bionics의 성공적인 상지 재활 외골격 로 봇 설계는 기계가 제한된 공간 내에서 큰 모멘트 부하를 처리해야 할 때 모든 롤러 베어링이 동일하게 생성되지 않는다는 것을 보여 준다. IKO의 CRBH 및 CRBF 크로스 롤러 베어링의 높은 모멘트 하중 처리 기능, 우수한 강성, 작은 크기 및 낮은 마찰 계수의 조 합 덕분에 Harmonic Bionics는 물리 치료에 혁신을 일으키고 많 은 뇌졸중 생존자의 삶을 개선할 태세를 갖추고 있다. 자료제공: IKO(www.ikont.com)

2023-05-16

스마트 전동 액추에이터로 AGV(무인운반차) 생산성·공간효율성 향상

AGV(Automated Guided Vehicles, 무인운반차)는 산업의 생산성을 50~70% 향상시켜 주는 무인운반차로서 각광을 받 고 있다. 하지만 AGV를 공장 바닥에서 이동하기 위해서는 적 당한 공간이 필요하다. AGV 설계자가 작은 공간에 보다 많은 기능을 갖출 수 있도록 설계하면, 최종 사용자에게 더 많은 가 치를 제공하게 된다. 이런 맥락에서 AGV 설계자는 작은 설치 공간에서 고성능 모션을 제어할 수 있도록 설계하는데 중점 을 두며, 이를 위해 스마트 전동 액추에이터를 점점 더 많이 선택하고 있다. 공장 현장의 AGV 제조 응용 분야에서 AGV(그림1 참조)는 블랭크를 생산 라인 으로 전달하고 작업장, 창고 및 조립 라인을 통해 상품을 이동 하는 등 사람의 리프팅 및 운반 작업을 대체한다. 오늘날 대부 분의 AGV는 레이저 또는 마그네틱 스트립으로 안내되며, 일 부는 케이블과 고정 트랙을 사용하고 점점 더 무선으로 통신하고 있다.일반적인 제조 애플리케이션에서 기계 운영자는 워크스테 이션의 호출 터미널을 통해 물류 관리 컴퓨터 시스템에 부품 이 필요하다는 신호를 보낸다. 요청을 받으면 관리 시스템은 요청을 AGV 관리 소프트웨어로 전달한다. AGV 관리 소프트 웨어는 우선 순위와 최적의 픽업 및 배송 동작을 기반으로 작 업에 가장 가까운 차량을 파견한다. 작업자가 작업을 완료한 후 프로세스의 다음 단계로 진행하도록 제어 시스템에 신호 를 보낸다.호스트 컴퓨터는 항상 AGV의 상태, 위치, 속도, 방향, 장애 및 전력을 알고 있으며 이를 앞뒤 좌우로 움직인다. 장애물을 만나면 AGV는 충돌을 피하기 위해 자동으로 감속하고 정지 한다. 장애물이 제거되면 AGV 작동이 자동 재개된다. 지능의 필요성 AGV 사용이 증가함에 따라 전사적 자원 관리 시스템, 자동 보관 시스템, 모듈식 컨베이어 시스템 및 자산 관리 소프트웨어 를 포함한 고급 소프트웨어 애플리케이션과 이동을 통합하는 것에 대한 관심도 높아지고 있다. 이러한 소프트웨어는 사람 의 개입과 노력을 최소화하면서 시설의 한 부분에서 다른 부 분으로 자재 또는 기능을 이동하기 위한 최적의 워크플로 생성을 안내한다.연결성은 최신 AGV의 온보드 마이크로프로세서 및 소프 트웨어로 관리되며 디지털 통신의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 설계자는 지능이 내장된 스마트 액추에이터도 배치하고 있다. 이를 통해 AGV 자동화 체계와의 통합 및 액추에이터 자 체 간의 통신이 가능하다. 예를 들어 액추에이터를 서로 동기 화하는 기능을 통해 AGV 리프트 테이블을 만들 수 있다. (그림2 참조) 디지털 기능 및 비용에 따른 액추에이터 비교 전동 액추에이터는 공장 현장용 AGV와의 지능형 통합에 가 장 적합하다. <그림3>에서 볼 수 있듯이 저가의 벨트 구동 가 위형 캠 기어와 유압 시스템은 디지털 통합 기능이 거의 또는 전혀 없다. 기어 나사는 더 많은 디지털 통합 기능을 가지고 있지만 추 가 모터와 컨트롤러도 필요하기 때문에 스마트 전동 액추에 이터보다 비용이 더 많이 들 수 있다. 중공 나사 액추에이터는비슷한 디지털 통합 기능과 기술을 가지고 있지만, 전자상거 래 포장 및 배송과 같은 고속, 대용량 창고 및 유통 응용 프로 그램을 제외하고는 높은 비용을 정당화하기 어렵다. 소형화의 이점 바닥 공간을 최적화하면 건물 추가 비용을 비교하든 기존 바 닥 공간에서 최대 수익을 얻든 관계없이 모든 공장에 실질적 인 이점이 있다. AGV는 빠르고 쉽게 구성할 수 있기 때문에 일반적으로 움직이지 않는 컨베이어 벨트보다 공간 효율적이 다. 그러나 AGV 자체는 공장 바닥을 돌아다니는 데 필요한 공 간과 더 좁은 공간에 들어갈 수 있는 능력이 필요하다.더 작은 액추에이터를 사용하는 것은 작업 공간을 보다 효 율적으로 만드는 한 가지 방법이지만 이를 장착하는 데 필요 한 공간은 여전히 문제다. 일반적인 전동 액추에이터에는 전 면과 후면 모두에 로드 어댑터가 있다. 기존 후면 어댑터를 마 운팅 플랜지로 교체하면 전체 길이와 스트로크 길이 비율이 줄어들어 시스템 설계자에게 공간이 돌아간다.컴팩트한 디자인으로 AGV를 작은 공간에 더 쉽게 배치할 수 있으며 에너지 소비도 줄인다. 후자는 AGV 설계에 리튬 이 온 배터리가 필요한 경우 특히 중요하다. 낮은 에너지 소비는 또한 더 긴 작업 시간과 더 낮은 충전 빈도를 의미하며, 이는 전체 생산성에도 기여한다. 일반적인 액추에이터 옵션 중에서 전동 액추에이터는 벨 트, 유압 또는 기어 구동 옵션에 비해 주어진 부하를 처리하기 위해 최소한의 작동 공간이 필요하다. 그리고 전기 옵션 중에서 단일 플랜지 장착을 사용하는 옵션은 최소한의 작동 공간 을 필요로 한다. (그림4 참조) 예를 들어, Thomson Industries는 Electrak HD 액추에이 터의 전체 길이 대 스트로크 길이 비율을 줄이는 후면 장착 플 랜지 옵션을 제공한다.(그림5 참조) 보다 콤팩트한 설계로 좁 은 공간에 쉽게 들어갈 수 있으며 앞에서 언급한 디지털 기능 을 유지하면서 다양한 유형의 자동화 장비, AGV 및 리프팅 장치를 설계할 때 이상적이다. 애플리케이션 상품과 부품을 평평한 표면을 가로질러 이동해야 하는 모든 곳에서 스마트하고 컴팩트한 AGV의 잠재적인 역할이 있다. 다음은 AGV가 일반적으로 사용되고 있는 산업의 예다. 소비재: AGV는 전자, 의약, 화학, 담배, 섬유 및 가전제품을 포 함한 수많은 소비재 산업에서 볼 수 있다. 정밀 작업 및 포장 용 부품부터 무거운 팔레트에 적재된 물체에 이르기까지 모 든 것을 운반한다. 예를 들어 에어컨 제조에서는 마운팅 플레 이트, 리어 네트, 커버, 패널, 모터, 공기 배출구, 페이스 프레 임, 커버 및 커패시터를 적절한 워크스테이션 간에 운반하는 작업이 포함될 수 있다. 전동 액추에이터가 냉장고와 같은 크 고 무거운 품목을 위해 이러한 응용 분야에 제공하는 공간 효 율성 외에도 온보드 인텔리전스는 부하 전체에서 움직임을 동기화하는 기능을 제공한다. 유리 섬유 생산: 실리카가 함께 결합된 얇은 필라멘트로 추출 되는 유리 섬유 생산에서 AGV는 CNC 공작 기계, 지능형 산 업용 로봇 및 생산 라인과 통합될 수 있다. 그들은 원시 실리 카 케이크를 드로잉에서 건조, 절단, 포장, 적재 및 보관으로 자동으로 옮길 것이다. 워크플로는 종단 간 긴밀하게 조정되 며 전기 액추에이터의 프로그래밍 기능을 통해 유리 섬유 생 산업체는 효율성을 최적화할 수 있다. 자동차 제조: 자동차 제조에서 AGV는 도어, 후드, 경첩, 볼트 및 기타 구성 요소를 적절한 위치에 전달하는 데 전통적으로 사용되는 수작업, 지게차 및 기타 방법을 대체한다. 전동 액추 에이터의 높은 하중 처리 능력은 자동차 제조에서 특히 중요하다. 전자 제품 제조: 웨이퍼, 고정 장치 또는 기타 구성 요소의 즉 각적인 가용성 부족은 전자 제품 생산 라인 일정을 방해하는 가장 빈번한 원인 중 하나이며 약간의 지연에도 비용이 많이 들 수 있다. 프로그래밍 가능한 액추에이터의 지원을 받는 스 마트하고 컴팩트한 AGV는 올바른 구성 요소가 올바른 위치 에 적시에 배치되도록 지원함으로써 전자 제품 생산을 위한 높은 프로세스 효율성을 가능하게 한다. 전자 시스템 테스트: 제어 패널과 같은 전자 시스템의 전자기 는 전기 방전을 추가하지 않는 환경에서 테스트해야 한다. 액추에이터가 장착된 AGV는 일련의 버튼을 일정한 속도로 누 르고 간섭 없이 테스트를 수행하기 위해 테스트 베이에서 이 동하도록 프로그래밍할 수 있다. 이를 위해서는 유도성 부하 전환, 포지티브 인덕턴스 과도 현상, 포지티브 및 네거티브 커 플링, 크랭킹, 로드 덤핑, 전자기 내성, 전도 방출 및 복사 방출 과 같은 전자 동작 중에 낮은 전자기 방사에 대해 철저히 테스 트된 액추에이터가 필요하다. 대부분의 분석가들은 글로벌 경쟁력이 계속해서 높아짐에 따 라 AGV 사용이 지속적으로 증가할 것으로 예측하고 있다. 상승하는 인건비는 AGV 사용자 증가의 핵심 동인이지만 모든 자산에 대한 수익을 극대화해야 할 필요성 또한 가장 중요하 다. 이러한 자산에는 AGV 자체와 AGV가 이동하는 공간이 포함된다.최소한의 공간을 요구하는 스마트하고 안전한 전동 액추에 이터를 지정하는 것은 설계자가 미래의 애플리케이션을 위해 오늘날의 AGV를 최적화하기 위해 취할 수 있는 중요한 단계 중 하나다. 자료제공: Thomson(www. thomsonlinear.com)

2023-05-16

‘3D 레이저 리소그래피’에 사용되는 PI 정밀 스테이지

3D 레이저 리소그래피에 사용되는 정밀 이송 시스템 반도체 생산 공정부터 시작해 광 계측 및 현미경, 심지어 생 명공학 분야까지 다양한 애플리케이션에서 정밀 위치 제어의 중요성은 점차 커지고 있으며 필수적인 요소가 되었다. 피에 조 소자로 이루어진 나노포지셔닝 기반의 정밀 이송 시스템 은 sub-ms의 반응속도와 nm범위의 반복도를 구현하며 진공 환경 및 온도변화에도 작동해 다양한 분야에 적용되었다. 그 특별한 예로 레이저 리소그래피 시스템에 사용되어 생명공학 분야에 한 획을 남기기도 하였다. . 3차원 세포 배양법의 구현 본래의 조직 세포의 유기체는 세포외기질이라 불리는 복잡 한 3차원 구조로 구성되어 있으며 2차원 평면구조로 표현되 는 기존의 Petri dish로는 실제 환경을 구현할 수 없기 때문에 항상 한계점에 부딪혀 왔다. 하지만 독일 연구소인 Karlsruhe Institute of Technology(KIT)의 과학자들이 3D 레이저 리소그래피 기술을 사용해 Scaffold라 불리우는 3차원 구조물을 만들어 3차원 세포 배양법의 구현을 가능케 하였다. 25µm의 기둥과 각 연결대로 이루어진 이 구조체에 세포 샘플을 붙여 3차원의 세포 배양을 할 수 있다. 이러한 세포 배양법은 상처 치료용 제약 분야나 조직 복구술과 같은 생명공학분야의 성장을 기대하게 해주었다. 레이저 펜을 이용한 3D 리소그래피 이러한 마이크로 및 나노 스케일의 3차원 리소그래피를 구 현한 독일 Nanoscribe사의 레이저 리소그래피 시스템은 앞 서 설명한 세포 생명공학 분야나 마이크로 광학소자 혹은 광 결정 분야, 미세유체 시스템에서의 Rapid-phototyping 기 구 개발 등 다양한 분야에서 적용이 가능하다. 강력한 단파장 의 레이저를 감광성 물질이나 생체 적합용 폴리머에 조사하여 구조물을 만들어내는 원리로 구동하며 펜으로 3차원의 선 을 긋는 것과 같이 레이저 펜이 3차원의 길을 따라 구조물을 만들어 낸다. 또한 수 µm부터 150nm 굵기의 굉장히 얇은 레이저를 사용하여 다양한 디자인의 구조물을 구현할 수 있다. 하지만 이러한 3차원 리소그래피를 구현하기 위해서는 레이 저 펜의 정밀한 위치 제어를 통한 리소그래피 과정이 실현되 어야 하기 때문에 고정밀 이송 시스템이 적용된다. 정밀 이송 기술을 이용한 레이저 포커스 3D 리소그래피에 사용되는 정밀 이송 시스템은 고분해능과 빠른 반응속도의 피에조 나노포지셔닝 기술을 전 세계 과학 기술 분야에 제공하고 있는 독일 PI(Physik Instrumente)사 의 다축 나노 스테이지를 사용한다. XYZ축으로 각각 수백 µm 움직일 수 있으며 수 nm의 최소 스텝을 구현하는 나노스테이 지는 레이저 펜을 효과적으로 원하는 위치에 정확하게 이송 을 시켜 레이저를 포커스 할 수 있게 해준다.전기적인 에너지를 받아 기계적인 에너지로 변환해주는 역 압전 효과를 이용한 피에조 방식의 나노포지셔닝 기술은 결 정립에 직접 적용되는 압전 효과의 특성상 sub-nm의 분해능, kHz에 이르는 High dynamic 구동이 가능하며 굉장히 무거운 허용하중을 갖고 있다. Capacitive sensor(정전용량 센서)와 Parallel kinematics 정전용량센서라 불리는 Capacitive sensor는 스테이지내 움직이는 구동부와 감지부에 장착되어 스테이지가 움직이는 변 위를 직접적으로 측정할 수 있는 Direct metrology 방식을 구현한다. 따라서 Strain gauge sensor나 기타 다른 Sensor 를 이용한 Indirect metrology 방식보다 더욱 좋은 선형성 및 분해능을 갖는다. Parallel kinematics라 불리는 다축 스테이지 시스템 또한 나노포지셔닝 기술의 높은 위치정밀도에 한 몫을 한다. 스 테이지 내 각 피에조 엑추에이터들이 Solid joint와 무 마찰 Parallel kinematics guide system에 장착되어 하나의 플랫 폼을 통해 움직일 수 있게 해주며 모든 축의 모션이 동일한 동 적 특성을 가질 수 있게 해 준다. 이러한 점은 레이저 3D 리소 그래피에서 느린 축의 모션이 다른 축과 동시에 구동 시 나올 수 있는 오차 값을 줄여주는 역할을 한다.게다가 이러한 Parallel metrology 방식의 사용으로 각 축 의 변위 값을 변위 센서를 통해 실시간으로 동시에 측정이 가 능하기 때문에 Cross talk이나 Lateral runout과 같은 변위 오차 값을 최소화 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 자료제공: PI코리아(www.pikorea.co.kr)

2023-05-16

브러시리스 DC모터 및 스텝모터, 임베디드 모션 제어 보드 구축을 위한 세가지 방법

이 기사에서는 일반적인 NEMA 23 또는 NEMA 34 크 기의 브러시리스 DC 모터 또는 스텝 모터를 구동할 수 있는 임베디드 모션 제어 보드를 구축하기 위한 세 가 지 접근 방식을 살펴본다. 특히 실험실 자동화, 모바일 로봇, 테스트 장비, 패키징 장비 및 로봇 팔 제어와 같 은 최종 애플리케이션에 사용되는 포지셔닝 모션 컨트 롤러에 중점을 둘 것이다. 일반적인 모션 제어 솔루션은 <그림1>에 표시된 것 과 비슷할 것이다. 보드는 완전히 독립되어 있으며 제 어되는 기계 내부 또는 위에서 작동하는 데 필요한 모 든 커넥터와 장착 하드웨어가 있다. 여기에는 온보드 마이크로프로세서가 포함되어 있어 사용자가 작성한 애플리케이션 코드를 제어 보드에서 직접 실행하여 기 계 작동을 제어할 수 있다. 왜 임베디드 컨트롤인가? <그림2A>와 <그림2B>는 설계자가 모션 컨트롤러를 구성하는 데 사용할 수 있는 두 가지 전반적인 접근 방식을 보여준다. 즉, 제 어되는 기계 하드웨어에서 원격으로 위치한 중앙 집중식 컨트롤러와 기계 내부 또는 내부에 위치한 임베디드 컨트롤러다. 이 두 가지 다른 옵션을 고려할 때 임베디드 PCB 기반 컨트롤러를 구성 또 는 구매하는 이유를 묻는 것이 합리적이다. 대답은 하나의 간단한 원칙으로 요약된다. 가까이 구성될수록 좋다. 임베디드 컨트롤러는 제어할 센서와 모 터에 더 가깝다. 즉 케이블이 짧아져 소음이 적고 응답 시간이 빨라진다. 또한 원격 컨트롤 러가 포함된 박스·랙과 제어되는 기계에 연결하기 위한 두꺼운 케이블 묶음 을 제거하기 때문에 비용이 적게 든다. PCB 기반 모션 컨트롤러 설계 ‘구성 vs 구매’ 비교를 제공하기 위해 아래의 사항들은 원하는 PCB 기반 컨 트롤러의 설계를 위한 지표들이다. • 제어되는 기계 하드웨어에 장착하도록 설계된 소형 임베디드 PCB • 축당 최대 350W 온보드 모터 증폭 기능이 있는 3축 • 브러시리스 DC와 스텝 모터의 혼합 제어 • 인코더, 홈 센서, 리미트 스위치 및 범용 I/O와 같은 일반적인 모션 제어 기 능을 위한 입력 및 출력을 제공 • 단일 DCV 입력(모터 구동 전압)으로 전원 공급 • 온보드 사용자 작성 소프트웨어 코드 실행으로 독립형 작동 이더넷 호스트 인터페이스와 통신하는 기능 <그림3>은 원하는 제어 아키텍처를 보여준다. 총 3개의 축 컨트롤러가 있지 만 컨트롤러 PCB와 이더넷 호스트 네트워크 사이에는 하나의 연결만 있다. 컨트롤러 보드의 마이크로프로세서는 호스트 네트워크와 인터페이스하고 수신된 명령을 분석한다. 그런 다음 이 수신된 명령에 따라 제어 중인 축의 이동을 조정한다. 축 X, Y 및 Z에 레이블을 지정했지만 이는 임의적이다. 시스템 호스트에서 전송되는 명령은 ‘XYZ 위치로 이동’ 또는 ‘슬롯 A1에서 B7로 테스트 튜브 이동’과 같은 상위 수준 명령이라는 점에 유의해야 한다. 마 이크로프로세서에는 시퀀스를 실행하기 위해 이러한 고급 명령을 각 축에 대 한 일련의 저급 모션 명령으로 변환하는 방법을 알고 있는 사용자 작성 애플 리케이션 코드가 포함되어 있다. 또는 pmd의 임베디드 PCB 기반 컨트롤러는 완전히 독립형으로 작동할 수 있으며, 터치 스크린이나 버튼을 사용하여 인간 작업자의 명령을 받고 호스트 네트워크만 사용하여 결과를 보고할 수 있다. ...1, 2, 3, (4, 5, 6)만큼 쉽다. 3축 모터 컨트롤러의 엔지니어링 설계에 수반되는 것은 무엇인가? 물론 모든 프로젝트는 조금씩 다르지만 컨트롤러를 구축하려 면 다음과 같은 작업이 광범위하게 필요하다. 커넥터 및 배선 체계 선택: 이 단계는 전기 엔지니어 (EE) 또는 시스템 엔지니어가 수행하며 전체 PCB 회 로도 설계 단계의 예비 단계다. 사용할 모터 앰프 방식 결정: 임베디드 모션 컨트롤 분야에서 모터 앰프에 대해 해야 할 일이 큰 갈림길이 다. 350와트를 구동할 수 있는 브러시리스 DC 또는 스 텝 모터용으로 처음부터 완전히 설계된 증폭기는 심각 한 설계 프로젝트이며 EMI, 전류 제어 및 PCB 레이아 웃에 대한 고려 사항을 포함한다. 대안은 기성품 PCB 장착 증폭기다. 이 소형 모듈은 500W(또는 그 이상) 를 구동할 수 있으며 고성능 전류 제어, 증폭 및 모터 권선 구동을 위한 안전 기능을 제공한다. 모션 제어 IC 구축 또는 구매 여부 결정: 임베디드 모션 컨트롤러 작업 목록의 또 다른 큰 갈림길은 기성품 모션 제어 IC를 사용할지 대신 범용 모션 엔진 코드를 작성할 지 여부다. DSP, 마이크로프로세서 또는 FPGA 기성품 모 션 제어 IC는 축당 ~이며 풍부한 프로파일링, 서 보 제어 및 증폭기 제어 기능을 제공한다. 이 경로를 선 택하면 아래의 관련 소프트웨어 작성 작업을 건너뛸 수 있다. PCB 도식 설계 및 배치:이전 두 가지 설계 작업에서 내린 결정을 활용하는 이 단계는 한 명 이상의 EE가 수 행하며 필요한 다양한 전기 기능을 달성하기 위해 IC 구성 요소를 조사 및 선택하고 PCB의 회로도를 구성 하는 것으로 구성된다. 모션 엔진 소프트웨어 코드 작성: 모션 엔진 IC에 대 한 완전 맞춤형 솔루션을 사용하려면 프로필 생성, 서 보 루프 클로저(종종 PID 제어) 및 기타 E-stop, 리미 트 스위치 등과 같은 실시간 관리 기능을 위해 소프트 웨어를 작성해야 한다. 마이크로프로세서 시스템 소프트웨어 코드 작성: 이 마이크로프로 세서는 호스트 네트워크와 통신하고 모션 시퀀스, 사용자 인터페이 스, 안전 모니터링 및 기타 기능을 포함한 전체 기계 동작을 조정한 다. 이는 모션 엔진 IC와 동일한 마이크로프로세서일 수 있지만 이 러한 접근 방식을 사용하면 복잡성이 추가되어 고속 멀티태스킹 실 시간 운영 체제가 필요하다. 오늘날 마이크로프로세서의 비용과 크 기로 인해 대부분의 3축 모션 컨트롤러는 대신 메인 PCB 마이크로 프로세서를 모션 제어 마이크로프로세서에서 분리한다. 마이크로프로세서 애플리케이션 소프트웨어 코드 작성: PCB의 모 션 및 주변 IC에 연결하기 위한 작동하는 운영 체제 및 소프트웨 어 드라이버를 갖는 것은 최종 기계 제어 솔루션을 갖는 것과 다 르다. 따라서 여기서 전체 마이크로프로세서 기능을 세 부분으로 나눌 것이다. 그 중 위에 자세히 설명된 시스템 소프트웨어 코드 가 첫 번째이고 이 작업이 두 번째다. 모션 제어 프로필 및 매개변수: 이것은 소프트웨어 개발 프로세 스의 세 번째이자 마지막 부분이며 실제 기계 하드웨어와 함께 작 동하여 모션 프로필, 서보 설정 및 기타 모션 제어 설정을 최적화 하는 작업으로 구성된다. 이러한 노력에는 일반적으로 시행 착오 와 추적 기능의 사용이 포함되므로 다른 최적화 중에서 궤적 오버 슈트 및 언더슈트를 최소화할 수 있다. 옵션 1: 구성 아래 표는 구성 옵션을 선택할 때 위에 나열된 각 프로젝트 개 발 단계에 대한 매우 대략적인 추정치를 제공한다. 구성 옵션 요약: 3축 모션 컨트롤러 PCB를 구축하기 위한 설계 노 력과 관련 비용이 상당하다. 적절한 엔지니어링 기술 조합이 필요 하지만 이것으로도 2~3명의 팀이 컨트롤러를 완성하는 데 일반 적으로 18개월이 걸린다. 기성 모션 제어 IC 및 증폭기가 설계에 사용되는 경우 이 값을 줄일 수 있다. 구성 접근 방식의 주요 이점은 결과 컨트롤러가 커넥터 및 폼 팩터 측면에서 애플리케이션에 완전히 맞춤화되고 단위당 비용 이 가장 낮다는 것이다. 연간 1,000개의 컨트롤러를 생산한다고 가정하면 달성 가능한 전체 PCB 비용은 5~0이며 축당 비용은 ~0다. 옵션 2: 구매 이 접근 방식을 위해 바로 사용할 수 있는 PCB 기반 모션 컨트롤 러를 선택한다. 선택할 수 있는 보드 기반 제품이 많이 있지만 이 분석의 목적을 위해 PMD의 Prodigy/CME 머신 컨트롤러를 사용한다. 아래 이미지에 표시된 구성은 4축 컨트롤러이지만 3축 구성으 로도 구입할 수 있다. Prodigy/CME 머신 컨트롤러는 당사의 모 든 애플리케이션 요구 사항을 충족하는 대표적인 모션 컨트롤러 보드다. 또한 프로파일 생성, 서보 위치 제어 및 인코더 입력과 같은 일반적인 기능인 이 제품은 온보드 증폭기, C 언어 라이브러리 로 작성된 사용자 다운로드 가능 코드를 지원하고 이더넷 및 기타 호스트 연결 옵션을 제공한다. 구매 옵션 요약: 구매 옵션의 매력은 두 가지 요소를 중심으로 한 다. 첫 번째는 엔지니어링 노력이 훨씬 적게 든다는 것이다. 두 번 째는 설계 작업에 소요되는 시간이 줄어들어 제어되는 기계가 더 빨리 시장에 출시될 수 있다는 것이다. 그러나 절충안도 두 배가 된다. 첫 번째는 결과 컨트롤러가 축 당 더 많은 비용이 든다는 것이다. 다시 연간 1,000개의 컨트롤러 를 가정하면 전체 컨트롤러 비용은 0 ~ tpf=board/list&board_code=2,200이고 각 제어 축의 비용은 일반적으로 0 ~ 0다. 이는 빌드 옵션을 사용 하여 만든 보드의 축당 비용의 2~3배이다. 두 번째 장단점은 PCB 가 애플리케이션에 맞춰져 있지 않다는 것이다. 폼 팩터는 커넥터 유형 및 핀 배열과 마찬가지로 미리 결정된다. 옵션 3: 혼합 구성 옵션이나 구매 옵션이 아닌 완전 맞춤형 모션 제어 보드를 빌드하는 흥미로운 새로운 접근 방식이 있다. 이 하이브리드 ‘혼 합’ 접근 방식은 완전한 기능을 갖춘 모션 컨트롤러가 포함된 소 형 모션 제어 모듈을 사용한다. 이러한 모듈은 사용자가 작성한 애플리케이션 소프트웨어를 실행할 수 있도록 코드를 다운로드 하는 기능을 제공한다. 이러한 제품은 거의 항상 단일 축 구성으로 제공되며 최대 1킬 로와트, 경우에 따라 더 많은 전력을 구동할 수 있다. <그림5>는 PMD의 ION/CME N 시리즈 디지털 드라이브와 같은 제품을 보여준다. 100% 구매 옵션과 마찬가지로 이 모듈은 프로파일링, FOC 및 전류 모니터링 안전 기능과 같이 바로 사용할 수 있는 다양한 모 션 제어 기능을 제공한다. 그러나 100% 구매 옵션과 달리 사용자 가 설계한 애플리케이션별 상호 연결 보드에 장착된다. 이러한 보 드의 예는 <그림 6A> 및 <그림 6B>의 상단 보기 및 하단 보기 렌 더링 모두에 표시된다. 모듈 자체 외에도 PCB에는 커넥터와 몇 개의 커패시터만 있다. 모션 제어 모듈을 사용하여 보드를 만드는 것과 관련된 노력은 회로도를 만드는 것이 아니라 배선 다이어그램을 만드는 것과 비 슷하다. 이러한 배선 다이어그램의 단순화된 버전이 <그림7>에 나와 있다. 또한 중요한 것은 결과 보드가 10, 12 또는 14 레이어 가 아니라 일반적으로 4 레이어라는 것이다. 따라서 필요한 엔지니어링 기술 수준은 모터 증폭 및 신호 처리와 같은 모든 어려운 작업이 모듈 내에서 수행되기 때문에 상당히 낮다. <그림8>과 같이 PCB 장착 가능 모듈을 사용하여 수행할 수 있 다. 모듈 중 하나는 사용자 애플리케이션 코드를 보유하고 한 축 을 제어한 다음 차례로 다른 두 축에 명령을 내린다. 혼합 옵션을 사용하면 여전히 일부 EE 작업이 있지만 풀 모션 제어 보드를 구축하는 것보다 훨씬 간단하다. 그 후 애플리케이션 개발 및 동작 매개변수 개발에 중점을 두며 이는 구성 또는 구매 옵션에서 변경되지 않는다. 혼합 옵션 요약: 홉합 옵션의 매력은 사용자가 선택한 폼 팩터와 커넥터를 사용하여 완전히 맞춤형 PCB 기반 컨트롤러를 생성할 수 있지만 기존 빌드 옵션에 비해 엔지니어링 노력의 일부만 필요 하다는 것이다. 이것은 PCB 설계 작업을 배선 상호 연결 보드 생 성 작업으로 줄이는 완전한 기능의 모션 모듈을 사용하여 달성된 다. 비용 측면에서 혼합 옵션은 구매 옵션과 동일하거나 단위당 비용이 약간 낮다. 따라서 연간 1,000개의 3축 컨트롤러 생산 속 도를 가정하면 제어되는 축당 0 - 0이다. 요약 아래 표에는 구성, 구매 및 혼합 옵션을 사용하는 3축 모션 컨트 롤러 PCB의 엔지니어링 노력, 설계 비용 및 축당 비용이 요약되어 있다. 위 수치는 비교를 위한 추정치이다. 실제 결과는 설계 팀의 경험, 일부 이전 설계 작업을 새 설계에 활용할 수 있는지 여부, 제어되 는 기계의 복잡성 등 여러 요인에 따라 달라진다. 3축 PCB 기반 컨 트롤러의 엔지니어링 노력과 단위 비용 비교가 도움이 되었기를 바란다. 구성, 구매 및 혼합 옵션 간의 장단점을 이해하면 다음 모 션 컨트롤러 설계에서 올바른 선택을 하는 데 도움이 될 것이다. 자료제공: pmd(www.pmdcorp.com)

2023-04-03