가장 작은 공간에서 가이딩 및 측정을 위한 6가지 팁

Schneeberger 최근 몇 년 동안 생명과학, 의료, 반도체 및 기타 주요 애플리케이 션용으로 장치 내부의 좁은 공간에 맞도록 보다 콤팩트한 선형 거 리 측정 시스템을 많이 설계하는 추세가 지속되고 있다. 최고의 품질은 기계 제조업체와 사용자가 요구하는 정밀도, 품질 및 반복 성을 제공하는 것이다. OEM 설계자, 엔지니어 또는 구매자는 자 신이 선정한 시스템이 실제로 최고인지를 평가할 수 있는 6가지 팁이 있다. 1. 설치 공간 비교적 작은 작동 매개변수와 깨끗한 환경을 특징으로 하는 장치 를 위해 특별히 설계된 거리 측정 시스템을 찾아야 한다. 기계 내 부의 부족한 공간을 절약하는 것은 핵심 고려사항이다. 이는 더 큰 작동 치수, 더 긴 스트로크 길이, 부식 및 오염 물질에 대한 더 많은 잠재적 노출을 제공하는 공작 기계 및 산업 자동화와 같은 애플리케이션 분야에서 사용하도록 고안된 중장비 측정 시스템 과는 반대다. 하중 및 스트로크 길이에 따라 슬라이드를 선택해야 하며, 오늘 날 많은 사용자는 최상의 옵션이 광학 스케일 거리 측정 시스템이 라는 것을 알고 있다. 콤팩트 하면서도 고성능인 다양한 솔루션들 이 제공되고 있으며 중요한 공간 절약을 극대화하려면 스케일이 레일에 통합되어 있는지 확인한다. 여기에서 고정밀 스케일은 최소한의 구성요소로 단순화된 디 자인으로서 소형 가이드웨이(guide way, 레일 및 베어링) 표면 의 일부이다. 센서는 광 신호를 기록하고 인터페이스 모듈에서 처 리하기 위해 아날로그 또는 디지털 형식으로 제공한다. 이러한 소 형제품 중 볼 재순환 모델은 상대적으로 긴 스트로크 길이에도 가 능하며, 수 mm에서 기본적으로 1m까지 치수를 측정할 수 있다. 더 짧은 스트로크, 높은 정확도 및 탁월한 강성이 필요한 경우 볼 케이지 비순환 모델 (ball cage non-recirculating model)을 찾 아야 한다. 2. 통합 솔루션 OEM 업체들은 구성 요소별 방식으로 접근하는 경우가 많다. 거 리 측정 시스템의 여러 구성 부품을 여러 다른 업체로부터 공급 받는다. 즉 리니어 스케일과 미니어처 가이드웨이 그리고 케리지 구성품을 각각 서로 다른 여러 제조업체가 공급한다. 그러나 이는 시스템을 직접 조립해야 함을 의미하며, 통합 접근 방식을 취해야 한다. 고품질 제조업체의 엔지니어링 솔루션을 찾아야 한다. 레 일, 캐리지 및 측정 시스템 인코더가 하나로 통합된 어셈블리 즉, 측정 및 가이던스를 하나의 시스템에 통합하면 소형 장치에서의 공간을 줄이는데 도움이 되기 때문이다. 다른 열팽창 보상이 필요하지 않다. 또한 공급망 및 구매에서 수령, 작업 내 처리 및 설치에 이르기까지 라인 전반에 걸쳐 시간 과 노력을 절약할 수 있다. 크기가 상대적으로 큰 볼 재순환 모델 을 사용하면 레일을 놓은 다음 캐리지를 장착하면 된다. 일부 소 형 비순환 모델의 경우, 바로 설치만 하면 된다. 3. 측정 유리 스케일 및 회전식 인코더와 같은 많은 거리 측정 시스템은 간접 측정을 사용한다. 그러나 가장 진보된 소형 시스템은 센서, 광학 판독 헤드 및 LED 광원을 사용하는 설정에서 직접 측정을 사용한다. 가능한 한 가장 작은 오류를 보장하기 위해 이동이 발 생하는 위치(페이로드가 있는 전체 어셈블리가 이동함에 따라)를 정확하게 측정한다. 볼스크류, 커플링 또는 모터의 와인딩으로 인한 손실이나 볼스 크류 온도 변화로 인한 오류를 방지한다. 일부 시스템 제조업체는 최근 직접 측정 방식을 채택하며, 그들의 디자인은 아직 완 벽하지 않을 수 있다. 그리고 그들의 시스템은 독점적인 경향이 있어 하나의 컨트롤러 유형에 갇히게 된다. 따라서 직접 시스템 설계에 대한 오랜 경험을 보여주고 모든 컨트롤러와 시스템이 작 동할 수 있는 선형 모션 전문 제조업체의 제품을 찾아야 한다. 4. 정밀도 선택 필요한 정밀도 수준은 기계설계의 요구사항에 따라 결정된다. 현 재는 직경이 75마이크로미터(µm)인 머리카락보다 훨씬 낮은 해 상도를 가진 시스템이 있다. 예를 들어 고급 볼 재순환 모델 경우 는 다음과 같다. • 최대 디지털 해상도: 0.1 µm • +/- 10µm까지의 정확도 @ >1000 m • 반복성: ± 0.1 µm (단방향), ± 0.2 µm (쌍방향) 훨씬 더 작은 치수에서 더 큰 정밀도를 위해 앞서 언급한 것과 같 은 비순환 모델은 극도의 강성을 제공한다. 볼 케이지 설계는 모 든 방향에서 부하 용량을 최대화하여 일반적으로 고속 이동과 관 련된 케이지 크리프(creep)를 없앤다. 예를 들어 생산 중에는 리 셋 스트로크가 필요하지 않다. 그 결과 뛰어난 강성, 높은 하중 용 량 및 매우 부드러운 주행 성능을 나타낸다. 또한 다음과 같은 우수한 정밀도를 달성할 수 있다. • 최대 디지털 해상도: 0.1 µm • 정확도: ± 3 µm • 반복성: ± 0.1 µm (단방향), ± 0.2 µm(쌍방향) 5. 속도 선택 최고의 현대식 측정 시스템은 높은 생산성과 같은 애플리케이션 요구사항을 충족하기 위해 높은 속도를 달성할 수 있다. 우수한 볼 재순환 모델은 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다. • 최대 속도: 1 m/s • 최대 가속도: 50 m/s2(약 5g) 더 빠른 속도가 요구되는 경우 비순환 볼 케이지는 다음과 같이 도달할 수 있다. • 최대 속도: 3m/s • 최대 가속도: 300m/s2(약 30g) 특히 두 번째 예에서 매우 높은 속도와 다소 낮은 수준의 해상도 를 가진다. 6. 신뢰성 리니어 모션 분야에는 많은 공급자들이 있지만 제품 품질은 다양 하다. 일부는 신생 기업이며 또한 기존 공급업체라도 거리 측정 시스템 부문에는 늦게 진입했을 수도 있다. 측정이 제품에 더 중 요할수록 진정으로 경험이 풍부한 공급업체를 선택하는 것이 더 중요하다. 따라서 고성능 리니어 모션 구성요소 및 시스템을 많이 성공적으로 설치했을 뿐만 아니라 기술 우수성에 대해 입증된 기 록을 가진 제조업체를 찾아야 한다. 자료제공 : Schneeberger(www.Schneeberger.com)

2023-01-06

기계의 성능을 좌우하는 ‘관성비’

Mitsubishi Electric 모터 크기, 속도·토크 등 고려해 결정 모터 사이징은 모션 시스템 설계에서 가장 기본적인 작업 중 하나다. 그러나 가장 많이 잘못 수행되는 작업이기도 하다. 모 터의 역할은 부하를 이동시키는 것이므로 순전히 애플리케이 션에 맞는 충분한 토크와 속도가 있는지 여부만으로 선택하 는 실수를 범하기 쉽다. 이러한 지나친 단순화는 문제를 일으킬 수 있는 소지가 있 다. 모터는 단순히 부하를 이동하는 것 이상을 수행해야 한다. 원하는 방법과 시기에 포지셔닝이 되어야 한다. 불행히도 메 커니즘과 부하 간의 상호 작용으로 인해 공진이 발생하여 오 버슈트 및 확장된 안정화 시간과 같은 오류가 발생할 수 있다. 이 기사에서는 모터 관성에 대한 부하 관성의 비율이 성능에 어떤 영향을 미치는지, 규정 준수와 같은 추가 요소가 어떻게 작용하는지, 자동 튜닝과 결합된 적절한 크기 조정이 최상의 결 과를 제공하는 데 어떻게 도움이 되는지 논의하려고 한다. 모터 사이징의 중요성 아무도 나쁜 기계를 만들려고 하지 않지만, 너무 자주 원하는 성능과 실제 장비의 성능 사이에 큰 격차가 발생한다. 토크 및 속도 요구 사항만을 기반으로 모터 크기를 조정하는 것은 기 계에 무한히 단단한 메커니즘이 있는 경우 잘 작동한다. 불행 히도 샤프트, 커플링, 벨트, 볼스크류 및 기계 프레임과 같은 기 계 구성요소는 모두 일정 수준의 규정 준수를 특징으로 한다. 모터는 부하를 이동하려고 할 때 적용된 힘, 부하 관성 및 기계적 컴플라이언스 간의 상호 작용은 특징적인 공진 주파 수에서 기계의 진동을 유발시킨다. 이러한 진동은 부하가 명 령된 위치 및 속도에 도달하는 것을 방지하는 오버슈트, 링잉 및 느린 동작으로 이어질 수 있다. 여러 축을 동기화할 때 각 축이 다른 축과 동시에 명령된 속 도 및 위치에 지속적으로 있어야 하기 때문에 이는 훨씬 더 중 요한다. 부하 시 이 동기화가 유지되지 않으면 인쇄 품질이 저 하되고 갠트리 시스템이 걸리며 일반적으로 기계가 설계된 대로 작동하지 않는다. 모터를 선택할 때 설계 팀은 지나온 경험 법칙에 자주 의존 한다. 이러한 근사치는 조직 및 제품마다 다를 수 있는 특정 가정을 기반으로 한다. 문제는 기본 가정을 완전히 이해하지 않고 이러한 근사치를 사용하면 위에서 언급한 종류의 문제 가 정확히 발생할 수 있다는 것이다. 모터 크기를 설정량만큼 늘리면 실제로 문제를 해결하지 못하기 때문에 오류가 더 복잡해질 뿐이다. 기껏해야 필요한 것보다 더 큰 모터에 비용을 지불하게 됩니다. 최악의 경우 기 존 문제를 악화시킨다. 엔지니어링의 모든 것과 마찬가지로 문제를 이해할 때까지 문제를 해결할 수 없다. 부하의 관성 샤프트와 커플링을 통해 부하에 연결된 모터의 기본 모션 시 스템부터 설명해본다(그림 1 참조). 모터 JM의 관성은 회전자, 인코더 및 선택적 브레이크의 관성으로 근사할 수 있다(이 기 사의 목적을 위해 회전 회전자와 고정자가 있는 고전적인 회 전 모터를 가정한다). 부하 관성 JL은 샤프트, 커플링 및 부하 와 같은 다른 모든 것을 포함한다. 이제 관성 비율을 다음과 같이 정의할 수 있다. 관성비율= JL/JM 부하 관성에는 이동하는 도구나 제품 그 이상이 포함된다 는 점에 유의하는 것이 중요하다. 기어헤드 및 액추에이터도 커플링과 함께 기여한다. 시스템에 따라 부하 관성은 기어 감 속 및 액추에이터의 여러 레이어에 의해 생성된 기여를 포함 할 수 있다. 이 시점에서 로터 너머의 모든 것을 로터에 의해 ‘보이는’ 반사된 관성 JL이 있는 블랙박스로 간주하는 것이 유 용하다. 스프링 상수 Ks가 있는 스프링으로 컴플라이언스를 모델링 할 수 있다(그림 1 참조). 로터가 회전할 때 부하의 관성이 스 프링을 감고 부하의 관성이 높을수록 더 많이 감는다. 이러한 규정 준수는 명령에 따라 부하를 배치하는 축의 기능을 저하 시킨다. 감기/풀기 모션이 모터의 모션과 위상이 같을 때 원 하는 모션이 추가되어 진동이나 불안정성을 유발할 수 있다. 이것은 기계의 공진 주파수에서 발생한다. 이 공진은 그 효 과를 줄이기 위해 기계적으로 감쇠 될 수 있다. 또는 메커니즘 의 스프링 상수를 강화하거나 관성 비율 JM/JL을 줄임으로써 공진 주파수를 증가시킬 수 있다. 더 높은 공진 주파수는 전자적으로 필터링하기 더 쉽기 때 문에 고품질 커플링을 선택하고 관성비를 줄이는 것이 성능 을 개선하는 이상적인 방법이다. 대조적으로 감기/풀기 동작이 모터의 동작과 위상이 다를 때 모터의 원하는 동작의 일부 또는 전체를 취소한다. 이는 부 하가 명령된 위치에 크게 뒤처지는 성능 저하로 이어진다. 극 단적인 왕복 운동의 경우 하중이 전혀 움직이지 않을 수 있다. 효과를 더 잘 이해하기 위해 게인의 보드 플롯을 살펴보자 (그림 2 참조). 여기서 이상적인 성능을 위해 시스템이 작동 주파수의 유효 범위에서 일관된 응답이 나오기를 기대한다. 곡선은 주파수가 증가함에 따라 게인이 감소하는 것을 보여 주지만 반공명 계곡과 공명 피크도 나타낸다. 기계의 속도가 증가함에 따라 예상대로 수행하다가 갑자기 매우 느리게 수 행(반공진)하고 과도하게 응답(공진)하게 된다. 기껏해야 이 동작으로 인해 기계가 원하는 대로 배치되지 않을 수 있다. 최 악의 경우 용지 걸림, 제품 손상, 장비 파손 또는 인명 피해를 유발할 수 있다. 부드럽고 평평한 곡선이 있다면 서보 드라이브의 게인을 높일 수 있다. 그러나 그림을 간략히 살펴보면 높은 게인이 공진 피 크 주변에서 치명적인 동작으로 이어질 수 있음을 알 수 있다. 확실한 해결책은 모션을 필터링하여 공명 피크에서 게인을 감소시킨 다음 전체 게인을 증가시켜 곡선을 위로 밀어 올리 는 것이다. 관성 매칭이 중요한 시점이다. 그림에서 알 수 있 듯이, 관성비가 높을수록 피크가 더 커지고 피크가 차지하는 대역폭이 커진다. 더 중요한 것은 관성비가 높으면 공진 및 반공진 피크가 더 낮은 주파수로 내려가 시스템의 유효 작동 대역폭이 크게 축 소된다는 것이다. 모터는 부하를 이동하기에 충분한 토크를 가질 수 있지만 애플리케이션을 충족할 만큼 빠르고 원활하 게 수행하지 못할 수 있다. 이러한 맥락에서 단순히 경험 법칙으로 모터의 크기를 정하 는 것의 위험성이 명백해진다. 작동 조건 및 응용 분야에 대해 과도하게 높은 관성비를 가진 기계를 조합하는 것은 요구되는 성능과 실제 성능 사이의 격차를 유발하는 요인 중 하나다. 모터 크기는 속도 및 토크 요구 사항뿐만 아니라 전체 설계 의 맥락 내에서 결정해야 한다. 축은 얼마나 빨리 움직여야 하 고, 얼마나 많은 공간이 있는지 그리고 예산은 얼마인지 등의 모든 요구 사항으로부터 균형을 가장 잘 맞출 때까지 설계가 완료되지 않는다. 다행스럽게도 엔지니어는 문제를 해결하기 위해 적용할 수 있는 다양한 자유도를 가지고 있다. 시스템 관점에서의 관성비 관성 비율에 대한 경험 법칙은 경험 기반으로 정해졌지만 전 반적으로 적용되어서는 안된다. 예를 들어 케이스 포장기의 픽 앤 플레이스 갠트리 로딩 제품은 5:1 또는 10:1의 관성 비율 로 제작할 수 있으며 여전히 안정화 시간 및 부드러움에 대한 사양을 충족할 수 있다. IC 팹의 웨이퍼 처리 기계는 안정화 시간, 평활도 및 위치 정확도에 대한 요구 사항이 훨씬 더 엄격하다는 점을 감안할 때 1:1에 가까운 관성 비율이 필요할 수 있다. 높은 강성을 가진 고품질 구성 요소는 애플리케이션의 오 버슈트 및 안정화 시간 요구 사항을 변경하지 않지만 이러한 구성 요소는 공진 주파수를 변경할 수 있으므로 설계자가 서 보 모터를 선택할 때 더 큰 유연성을 허용한다. 로터리 애플리케이션에서도 마찬가지다. 예를 들어, 시스템 에서 상당한 마찰이 있는 프레스 피드는 축 사이의 위상 오류 가 거의 0이어야 하고 시스템의 고정밀 구성 요소가 거의 제 공하지 않는 인쇄 프레스보다 훨씬 높은 관성으로 잘 작동할 수 있다. 공명 효과를 줄이기 위한 마찰, 요구 사항과 기계 구 성 요소 및 허용 오차를 모두 이해함으로써 애플리케이션에 필요한 성능을 예측하고 설계할 수 있다. 각 공급업체의 구성 요소는 매개변수와 성능이 약간 다르 기 때문에 한 시스템의 고유한 필터 세트, 피드백 해상도 및 내부 속도 주파수 응답과 잘 작동할 수 있는 경험 법칙이 다른 시스템의 고유 사양에서는 작동하지 않을 수 있다. 관성비는 사례별로 고려되어야 한다. 이전 플랫폼의 모터로 시작하여 5% 또는 10%의 안전 여유 를 추가하는 일반적인 관행은 과학보다 운에 더 의존하며 비 용 효율적인 솔루션을 제공하지 않는다. 모터는 더 크고, 더 많 은 전력을 소모하고, 더 비쌀 뿐만 아니라 더 큰 드라이브가 필 요하다. 이 접근 방식은 또한 배율이 처음부터 이미 대형화된 모터에 적용되기 때문에 세대마다 문제를 복잡하게 만든다. 또는 설계자는 비용을 절감하거나 부품 번호를 줄이기 위 해 더 작은 모터를 선택하여 다른 면에서 오류를 범할 수 있 다. 이것은 큰 역효과를 불러일으킬 수 있다. 초기 자본 지출 을 절약할 수 있지만 관성 비율을 높이고 공진 주파수를 작동 대역폭으로 밀어 넣을 위험이 있다. 모터 및 구성 요소의 크기를 너무 크게 또는 작게 지정하면 최적의 작동으로 이어지는 경우가 거의 없다. 어떤 경우에는 페널티가 예산을 초과하지만 대부분의 경우 페널티는 수준 이하의 장비 성능이다. 사양으로 시작하고 거기에서 새로운 모터를 선택하는 것이 좋다. 마법의 총알 ‘기어박스’ 모터 크기를 늘리는 것이 관성비를 향상시키는 유일한 방법 또는 최선의 방법은 아니다. 질량을 줄여 부하의 관성을 줄이 는 것이 성능 향상을 시도하는 가장 좋은 방법이다. 기어박스 는 초과 속도 기능을 토크로 변환하므로 동일한 부하에 대해 더 작은 모터를 사용할 수 있다. 이전 논의를 기반으로 하면 기어박스의 관성이 JL에 추가된다. 관성비를 증가시켜 공진 문제를 악화시킬 것으로 예상하지만 그렇지 않다. 모터에 연결된 기어비 N이 있는 기어박스의 경우 출력 토 크 τ는 N으로 선형으로 확장되는 반면 각속도 ω는 역으로 이 동한다. τφ = τm/N ωφ = ωι/N 기어박스의 진정한 이점은 모터에서 볼 수 있는 반사 부하 관 성을 크게 줄이는 것이다. JR = JL/N2 다시 말해 기어박스를 추가하면 각 단계에서 감소의 역제곱 만큼 반영된 관성이 확장된다. 이것은 더 작은 모터와 기어박 스의 추가된 관성을 보상하는 것 이상으로 기어박스를 모터 사이징의 ‘마법의 총알’로 만든다. 예를 들어 5:1 기어박스에 서 6:1 기어박스로 간단히 전환하고 모터의 최대 속도 기능을 사용하면 관성비를 44%, 토크를 20% 향상시킬 수 있다. 이 조합이 초과 토크 기능을 생성하고 속도 요구 사항을 충족하 면 더 작은 모터를 사용할 수 있다. 항상 그렇듯이 절충안이 있다. 이 접근 방식은 모터 비용을 절약하지만 기어박스는 비용과 잠재적으로 유지보수가 추가 한다. 기어박스와 결합된 더 작은 모터의 다른 이점으로는 에 너지 소비 감소, 전기 인클로저 크기 감소, 기계적 설계 유연 성 향상 등이 있다. 위의 간단한 예를 들었지만 반사된 관성은 각 단계에서 방 정식 4에 따라 관성 스케일링을 사용하여 여러 수준으로 나눌 수 있다. 단순한 기어박스와 부하 대신에 축에 벨트 감속기를 구동한 기어박스와 부하를 차례로 포함할 수 있다. 각 지점에 서 기계적 구성 요소는 토크의 기계적 이점을 제공할 뿐만 아 니라 반사된 관성이 더욱 확장된다. 미쓰비시전기 ‘MR-J4’ 기계적 설계가 최적화되면 다음 단계는 시스템의 전기 기계 적 특성을 사용하여 성능을 향상시키는 것이다. 이상적으로는 기계가 모든 속도에서 일관되게 응답할 수 있도록 플랫 게인 이 필요한다. 그러나 에서 볼 수 있듯이 게인은 일반적으로 주 파수가 증가함에 따라 떨어진다. 시스템의 응답성을 높이기 위해 게인을 높일 수 있지만 반공진 및 공진 피크 주변의 주파 수 대역에서 시스템 동작은 기껏해야 불규칙하다. 솔루션은 서보 드라이브의 제어 루프 튜닝 및 필터링 기능을 사용하여 성능을 극대화하는 것이다. 모터를 선택하고 설치하는 것이 전투의 절반에 불과했던 때 가 있었다. 축이 제대로 작동하도록 하기 위해 엔지니어는 비 례, 적분 및 미분(PID) 게인을 제어하는 전위차계를 조정하여 서보 드라이브의 출력 신호를 공들여 조정해야 했다. 이 PID 루프 튜닝 기술은 며칠은 아니더라도 몇 시간이 걸릴 수 있는 프로세스였다. 미쓰비시전기의 ‘MR-J4’와 같은 고기능 드라이브는 시스템 피드백을 적용하여 자동으로 조정하고 여러 유형의 필터를 활용하여 공진을 보상하고 게인을 평탄화 한다. MR-J4는 성능을 최적화하기 위해 결합되는 사전 예방적 및 사후적 조정 기능을 갖추고 있다. 사전 튜닝을 위해 드라이 브는 한 쌍의 진동 억제 제어 필터로 시작한다. 이 필터는 메 커니즘과 정적 부하 관성의 조합에 고유한 정적 진동 모드에 서 발생하는 공진 피크를 줄이거나 제거하도록 설계되었다. 반응형 자동 튜닝 프로세스는 애플리케이션의 실제 명령 시퀀스를 사용하여 축의 동작을 관찰하는 것으로 시작된다. 드라이브는 결과를 이상적인 가상 ‘관찰자’ 시스템의 결과와 비교한다. 실제 시스템과 이상적인 시스템의 편차를 기반으로 드라이브는 부하 관성 비율 결정을 포함하여 기계 시스템을 특성화하고 이러한 시스템 특성을 기반으로 제어 루프 및 필 터 매개변수를 최적화한다. 최적화된 루프 및 필터 설정은 응답을 최대화하고 오류를 최소화하기 위해 공진의 영향을 보상하기 위해 후속 명령 신 호를 조정한다. 부하 관성과 같은 시스템 특성이 갑자기 부품 을 집어 올리거나 롤 재료 롤을 푸는 동안 천천히 변경함에 따 라 시스템은 광범위한 작동 조건에서 일관된 성능을 보장하 기 위해 최적의 설정을 지속적으로 결정한다. 자료 제공: www.mitsubishielectric.com

2023-01-06

서보 드라이브의 효율성 향상과 전력손실 최소화 방법 ②

Celeramotion 이 기사는 연재물 마지막 부분이다. 지난 12월호에는 첫 번째 연재물이 실렸다. 동력손실을 최소화 하는 것이 목표 전력 손실 추정 ▶ 제품 매뉴얼에 따른 전력 손실 추정 본지의 지난 에서 언급한 것처럼 서보 드라이브 손실의 계산은 복 잡하고 많은 요인에 따라 달라진다. 이러한 이유로 가장 좋은 방법은 제품 매 뉴얼에 따라 서보 드라이브 전력 손실을 계산하는 것이다. CeleraMotion의 Ingenia 서보 드라이브는 제품 설명서/제품 설명/열 및 전력 사양에서 전력 손실을 그래픽 및 숫자로 표시한다. 다음은 Everest XCR 서보 드라이브의 예 이다. 손실은 모터에 제공되는 위상 전류(Iph), 전원 공급 장치 전압(Vbus) 및 스위칭 주파수(fsw)에 따라 다르다. ▶ 위상 전류 Iph 서보 드라이브 손실을 계산하려면 애플리케이션에 필 요한 모터 위상 전류를 계산한다. 위상 전류(Iph_mot) 는 모터 토크(τmot)에 비례한다. 모터 매개변수 ‘토크 상수’(일반적으로 Kt라고 함)는 모터에 대한 입력 전류 의 암페어당 생성되는 토크(N·m)의 양을 결정한다. 따 라서 필요한 토크를 알면 위상 전류를 추정할 수 있다. Iph_mot = τmot/Kt 이 방정식은 근사치일 뿐이다. 모터 손실 또는 온도와 같은 다양한 요인이 토크와 위상 전류 사이의 비율에 영향을 줄 수 있다. Y-결선 BLAC 모터에서 Iph_mot는 손실 계산에 필 요한 서보 드라이브 전류 Iph와 같다. Iph = Iph_mot-Y 그러나 Δ-결선 BLAC 모터에서 서보 드라이브 전류는 모터 위상 전류보다 √3배 더 크다. Iph = √3 * Iph_mot-Δ ▶ 공급 전압 Vbus 전력 손실을 최적화하려면 시스템에 필요한 최소 전원 공급 장치 전압을 사용한다. 공급 전압은 모터에 제공 할 수 있는 최대 AC 위상 전압을 정의하며, 이는 공칭 작동에서 모터가 도달할 수 있는 최대 속도를 정의한 다. 필요한 전압을 계산하려면 각 위상이 저항, 인덕터 및 역기전력(BEMF)으로 구성된 모터의 단순화된 전 기 모델을 고려해야 한다. 토크 및 전류와 유사하게 모터 매개변수 ‘속도 상 수’(일반적으로 Ke 또는 Kω로 명명됨)는 특정 속도(ω mot)에서 모터에 의해 생성된 BEMF 전압(VBEMF)을 결정한다. VBEMF = ωmot/ Kω 모터를 통한 전류 흐름은 위상 전압과 BEMF 전압 간 의 차이에 따라 달라진다. 위상 전압이 BEMF보다 낮 으면 전류와 토크가 감소하여 모터가 느려진다. 위상 전압이 BEMF보다 높으면 모터는 토크를 생성하여 모 터를 가속하거나 속도를 유지한다. 가속도는 생성된 토크와 토크 손실(부하 및 마찰) 간의 차이에 따라 달 라진다. 단순화를 위해 모터 저항과 인덕턴스의 전압 강하 및 토크를 고려하지 않고 최소 전원 전압을 계산한다. Y-결선 BLAC 모터에서 VBEMF는 위상-중성으로 제공된다. VBEMF가 RMS 값으로 측정된다는 점을 고 려하면, Vbus > VBEMF_Y * √3 * √2 / Dmax 여기서 Dmax는 서보 드라이브가 제공할 수 있는 최대 듀티 사이클이다. 이 값은 제품 매뉴얼 / 제품 설명에서 ‘버스 전압’으로도 표 시된다. Δ-결선 BLAC 모터에서 VBEMF는 위상 대 위상으로 제공된다. VBEMF가 RMS 값으로 측정된다는 점을 고려하면, Vbus > VBEMF_Δ * √2 / Dmax ▶ 스위칭 주파수 fsw 전력 손실을 계산하는 데 필요한 세 번째 매개변수는 스위칭 주파수 fsw 이다. 스위칭 주파수는 일반적으로 20kHz~100kHz(일부 드라이브는 최대 200kHz에 도달할 수 있음) 범위이며 펌웨어로 조정할 수 있다. 전원 공급 전 압 Vbus와 마찬가지로 원하는 시스템 성능을 허용하는 최소 스위칭 주파수 를 사용하는 것이 좋다. 스위칭 주파수의 선택은 현재 루프 주파수(스위칭 주파수는 현재 루프 업 데이트 속도보다 작을 수 없음) 및 모터의 인덕턴스(인덕턴스가 작을수록 스 위칭 주파수가 커야 함)와 관련이 있다. 방열 서보 드라이브의 온도 상승을 최소화하려면 시스템 열을 적절하게 발산해야 한다. 전력 손실이 계산되면 방열판 요구 사항을 결정할 수 있다. 다음 다이 어그램은 Everest XCR 서보 드라이브의 단순화된 소산 모델을 보여준다. 서보 드라이브에 의해 생성된 전력 손실은 파워 스테이지에서 대기로 흐른 다. 열 전도에 대한 서로 다른 재료의 저항(열 임피던스, Rth로 알려짐)은 공 기와 전력 스테이지 사이에 온도 차이를 생성한다. 전력 손실(Ploss), 열 임 피던스(Rth)를 알면 전력 단계에 도달할 온도를 결정할 수 있다. 파워 스테이지의 열 모델은 여러 열원(다중 트랜지스터)과 고려 사항으로 복잡하다. 전원단과 서보 드라이브 케이스 임피던스(Rth(p-c)) 사이에 복잡 한 모델을 사용하는 것을 피하기 위해 케이스(Tc)에 도달할 수 있는 최대 온 도를 제공한다. Everest XCR 서보 드라이브에 대한 아래 그림의 예를 참조 하면 된다. 위의 그래프는 서로 다른 전원 전압(Vbus), 위상 전류(Iph) 및 스위칭 주파 수(fsw)에 대한 서보 드라이브 케이스(Tc)의 최대 온도를 정의한다. 최대 케이스 온도(Tc)와 시스템 전력 손실(Ploss)을 정의하면 필요한 방열 판을 계산할 수 있다. CeleraMotion의 Ingenia 서보 드라이브는 최대 정격 을 달성하기 위해 냉각판이나 방열판에 장착하도록 설계되었다. 어셈블리에 대한 자세한 내용은 제품 설명서/설치를 참조하면 된다. 효율성 및 전력 측정 이전 정의에 따르면 서보 드라이브의 효율은 모터에 제공되는 전력(Pmot) 과 입력 전력(Pin) 간의 비율로 계산할 수 있다. ηdrive = Pmot/Pin 입력 전력은 입력 전압과 전류의 곱으로 쉽게 계산할 수 있다. 이것은 표준 실험실 기기로 측정할 수 있는 연속적인 크기이다. Pin = Vbus* Ibus + Vlogic*Ilogic 서보 드라이브 출력 전력은 위상 전압과 전류의 곱으로도 계산할 수 있다. 서 보 드라이브 출력은 AC 신호이므로 사이클에 대한 평 균 전력을 사용해야 한다. Pmot=1/T * ∫(Va·Ia+Vb·Ib+Vc·Ic)dt 위상 전류와 전압을 사인파 AC 신호로 단순화하면 모 터 전력에 대한 좋은 근사치를 얻을 수 있다. 그러나 이 방법은 전력 손실의 원인이 되는 전력단의 비이상 성(PWM 스위칭, 트랜지스터의 전압 강하 등)을 고려 하지 않는다. 따라서 사인파 근사는 서보 드라이브 효 율을 계산하는 데 유효하지 않다. ▶ 3상 전력 분석기 서보 드라이브 출력 전력(Pmot)을 측정하는 가장 쉬 운 방법은 다중 채널 전력 분석기를 사용하는 것이다. 모터의 3상 전압과 3상 전류를 측정하고 곱하여 순시 전력 손실을 계산하고 평균한다. 원칙적으로 이것은 서보 드라이브 출력 전력을 측정하는 가장 정확한 방 법이어야 한다. 서보 드라이브의 전력 손실은 출력 전력의 작은 부 분에 불과하기 때문에(효율은 약 97%일 수 있음) 전 력 측정은 매우 정확해야 한다. 즉, 전력 측정에서 1% 의 정확도는 전력 손실에서 50%의 오류를 의미할 수 있다. 이 때문에 대부분의 상용 전력 분석기에서는 서 보 드라이브 효율을 측정하는 데 필요한 정확도와 샘 플링 주파수가 너무 까다롭다. 전력 분석기에 포함된 전압계는 전도 전력 손실을 측정하기 위해 전력 스테이지 트랜지스터의 전압 강하 를 정확하게 측정할 수 있어야 한다. 30A의 전류를 공 급할 때 3mΩ의 트랜지스터 온스테이트 저항(Rdson) 을 고려하면 90mV의 전압 강하가 발생한다. 위상 전 압이 0에서 72V(Vbus 전압)로 스윙하는 PWM 신호 라는 점을 고려하면 전압계의 일반 스케일은 100V일 수 있다. ▶ 보정된 열 임피던스 출력 전력을 측정하고 효율성을 찾는 대신 더 쉬운 접 근 방식은 전력 손실을 직접 측정한 다음 효율성을 계 산하는 것이다. Pmot = Pin - Ploss ηdrive = (Pin-Ploss)/Pin 전력 손실을 측정하는 방법은 발생하는 열을 측정하는 것이다. 이를 수행하 려면 알려진 열 전달 경로가 있는 설정이 필요하다. 제안된 설정은 소산 조 리개가 작은 열량계로 구성된다. 열전도 경로(알루미늄 블록으로 구현)에 서 경로의 다른 지점에 두 개의 온도 센서를 배치한다. 두 지점 사이의 열 임피던스를 알고 있는 경우 온도 차이는 소실되는 전력의 척도를 제공한다. 드라이브의 최대 온도보다 낮은 열적 정상 상태를 달성하려면 최소 소 실이 필요하다. 손실이 너무 작으면 드라이브가 과도한 온도에 도달하여 작동을 중지한다(과열 보호). 아래 그림의 다이어그램은 제안된 설정을 보여준다. 각 설정을 사용하기 전에 알려진 열 소스를 사용하여 열 임피던스 Rthcal을 보정해야 한다. 가장 정확한 방법은 파워 스테이지의 역 다이오드에서 열 을 발생시키는 것이다. 위상과 GND 사이에 음의 전압이 인가되면 다이오 드를 통해 전류가 흐르고 손실이 발생한다. 이 방법을 제대로 수행하지 않 으면 전원단이 손상될 수 있으므로 주의해야 한다. 다른 방법은 알려진 전력 저항기를 서보 드라이브와 동일한 방열판에 배치하는 것이다. 정확한 측정을 위해서는 저항이 서보 드라이브에 매우 가깝게 배치되어야 하고 방열기와 유사한 열 결합이 있어야 한다. 교정용 열원에 일정한 전압을 인가하고 인가된 전류 와 전압을 측정하여 전력을 결정한다. 적절한 보정을 달 성하려면 생성된 전력(Pcal)이 서보 드라이브 전력 손실 (Ploss)과 유사해야 한다. 보정 전원을 인가하면서 센서 1(T1)과 2(T2)의 온도를 측정한다. 온도가 정상 상태에 도달하면 입력 전력(Pcal) 값과 온도 T1 및 T2를 기록한 다. 이 테스트 후 열 임피던스는 다음과 같이 계산할 수 있다. Rthcal = (T2-T1) / Pcal 보정 후 전력 손실을 측정할 수 있다. 원하는 전원 전압 (Vbus)으로 서보 드라이브를 공급하고 원하는 위상 전 류(Iph)로 모터를 여자한다. 열 정상 상태에 도달할 때까 지 테스트 조건을 유지한다. 그 지점에서 온도 T1과 T2를 측정하고 서보 드라이브 전력 손실을 계산한다. 손실 = (T2-T1) / Rthcal 전력손실 최소화가 관건 서보 액추에이터의 모든 요소는 전력 손실을 발생시키 며, 전력 손실은 열로 변환되어 시스템 성능을 악화시킨 다. 따라서 전력 손실이 소멸되어야 한다. 전력 손실이 시 스템 통합을 복잡하게 만들며, 가장 좋은 방법은 전력 손 실을 최소화하는 것이다. 서보 드라이브에서 전력 손실의 주요 원인은 파워 스 테이지이다. 그러나 논리 프로세서와 내부 DC/DC도 기 여한다. 대기 소비 전력은 모터에 전원이 공급되지 않지 만 PWM 스위칭은 여전히 활성화되어 있을 때의 입력 전 력이다. 서보 드라이브 전력 손실을 줄이려면 이중 공급 방식(논리 및 전력)을 사용하고 필요한 최소 공급 전압을 사용하고 필요한 최소 스위칭 주파수를 사용해야 한다. 또 전력 손실을 추정하고 방열판 요구 사항을 계산하 기 위한 지침을 참고하는 것도 좋다. 전력 분석기로 효율 성을 측정하는 것은 정확도와 샘플링 속도 요구 사항이 너무 까다롭고 어렵다. 보정된 열 임피던스가 있는 수정 된 열량계로 전력 손실의 측정이 가능하다. 자료제공: CeleraMotion(www.celeramotion.com)

2023-01-06

다양한 스크류 너트, 선택이 중요하다!

Haydon Kerk Pittman 스크류 너트는 리드스크류 어셈블리의 핵심 부품이다. 이것은 회 전 요소(모터와 스크류)와 선형 이동 하중 사이의 연결 역할을 하 여 회전 운동에서 선형 운동을 달성한다. 리드스크류의 효율성은 너트와 스크류 사이의 윤활(또는 마찰 계수)에 따라 달라진다. 용 도에 따라 다양한 윤활 옵션이 있다. 스크류 수준에서 최대 성능이 필요한 경우 Kerkote 및 Black Ice TFE 코팅은 매우 균일한 윤활 분포를 제공하고 너트와 스크 류 사이의 마찰을 약 30%까지 줄여준다. Kerkote 및 Black Ice TFE 코팅은 모두 건식 윤활의 장점을 제공한다. 유지 보수가 필요 없는 이 코팅은 제품의 수명을 지속하도록 설계되었다. 추가 윤활 제 없이 사용하도록 고안되었으며, 이는 스크류 구동 드라이브의 가장 일반적인 고장인 윤활 고장을 사실상 없애 준다. 너트/스크류 인터페이스에서 최대 윤활 효과를 달성하는 Kerkote 무보수(maintenance-free) 코팅과 함께 모든 Kerk 리 드스크류 너트는 맞춤형 복합 Kerkite 복합 자체 윤활 폴리머를 특징으로 한다. Kerkite 폴리머는 사출 성형을 통해 제공되는 비 용 및 설계 이점과 함께 탁월한 마모 특성을 제공하는 고성능 재 료 제품군이다. 마찰 고려 사항 리드스크류의 효율성은 스크류가 회전 에너지(토크)를 선형 운동 으로 얼마나 잘 변환하는지를 나타낸다. 스크류(나선 각도가 고정됨)에서 효율성은 주로 스크류와 너트 사이의 접촉 영역에 의해 생성되는 마찰에 의해 영향을 받는다. 과거의 전통적인 너트 재료는 필요한 내부 스크류산 가공에 적합 한 청동 또는 황동이었고 물리적 안정성과 윤활성 사이의 전통적 인 절충안이었다. 리드스크류의 너트를 위한 훨씬 더 나은 재료는 윤활 처리된 열가소성 재료이다. 새롭게 엔지니어링 된 열가소성 수지의 발전으로 나사산은 보다 낮은 전체 마찰 계수로 이동할 수 있다. (그림1 참고) 애플리케이션 고려사항 일반적으로 고객의 성능 사양에는 모션 매개변수(부하, 속도, 방 향, 듀티 사이클 등), 환경 조건(온도, 화학 물질, 복사, 진공, 부식 등), 기대 수명 및 생산 수량 비용 목표가 포함된다 축방향 하중과 임계 속도를 확인하는 것 외에도 최상의 너트 재료 선택을 보장하기 위한 첫 번째 단계는 PV(Pressure-Velocity; 압 력 속도) 계수를 계산하는 것이다. 압력 속도는 모든 열가소성 수 지의 기본 속성이며 폴리머 구성에 따라 다르다. 리드스크류 애플 리케이션의 PV는 리드스크류와 너트 사이의 인터페이스 표면 속 도와 하중을 기반으로 계산된 값이다 ‘PV 한계(Limiting PV)’는 부품의 형상과 같은 물리적 특성을 손 상시키기 전에 플라스틱이 견딜 수 있는 열 발생량을 특성화하기 위해 제조업체에서 사용하는 용어이다. 모든 플라스틱에는 제조 업체가 정의한 최대 PV 값이 있으며 특정 상황에서만 초과해야 한다. 제조업체의 PV 한계 값은 어셈블리의 적절한 부하, 속도 및 듀티 사이클에 대한 결정을 내리는 데 고려되어야 한다. 적절한 PV 내에서 설계함으로써 리드스크류에서 작동하는 너 트에 일반적인 선형 마모가 발생한다. Kerkite 복합 폴리머는 가 장 까다로운 고객의 요구사항을 충족하기 위해 광범위한 PV 값으 로 제공된다. (그림2 참고) 비정질 대 반결정질 서로 다른 열가소성 중합체를 구분하는 정의적인 특성은 이들이 무정형 또는 반결정으로 간주되는지 여부다. Kerkite 재료는 조직 화되고 촘촘하게 채워진 분자 사슬을 나타내는 중합체인 반결정 성 열가소성 수지 부류에 속한다. (그림3 참고). 결정성(crystallinity) 영역을 구결정(spherulites) 이라고 하며 결정 영역 사이에 존재하는 비정질 영역과 함께 모양과 크기가 다 양할 수 있다. 그 결과 정의된 융점을 초래하는 고도로 조직화된 분자 구조가 생성된다. 그들은 온도 상승에 따라 점차적으로 부드 러워지지 않는다. 대신, 반결정 물질은 주어진 양의 열이 흡수될 때까지 고체 상태를 유지한 다음 빠르게 저점도 액체로 변한다. 이러한 폴리머는 흐름이 이방성(anisotropic)이 므로 흐름이 아닌 흐름에 대해 더 큰 수축을 나타내 기 때문에 때때로 일부 치수 불안정성이 발생할 수 있다. 반결정성 열가소성 플라스틱은 물성 면에서 강도, 내마모성, 내화학성이 우수하지만 일반적으로 내충격성이 부족하다. 또한 결정화도는 폴리머의 많 은 특성에 영향을 줄 수 있다. 반결정질 폴리머(semi-crystalline polymers)는 조직화되고 촘촘하게 채워진 분자 사슬을 나타내는 반면, 비정질 플라스틱의 폴리머 사슬은 더 질서가 없다. 이러한 유형의 물질에서 분자는 무작위로 배 향되고 서로 얽혀 있어 녹을 수 있는 온도 범위를 갖 게 된다. 이러한 폴리머는 흐름이 등방성(isotropic)이므 로 흐름 방향으로 균일하게 수축하고 흐름을 가로지 른다. 이는 일반적으로 수축이 적고 뒤틀림 경향이 적다. 특성 측면에서 비정질 중합체는 일반적으로 내충격성이 더 우수하지만 응력 균열이 발생하기 쉽 고 피로 저항성이 낮다. 재료 성능, 특성 및 비용에 대한 개요 요약으로 오른쪽의 열가소성 삼각형을 참 조하면 된다. (그림 4 참고) 리드스크류는 극한의 온도, 화학적 또는 부식성 대 기, 방사선, 진공, 유체 및 습기와 같은 광범위한 작동 조건에 노출될 수 있다. 목표는 모션 성능, 환경적 견 고성, 작동 수명 및 비용 제약에 대한 높은 표준을 충 족하는 적절한 혼합 너트 재료를 사용하는 것이다. Kerk는 열악한 환경에서 작동하도록 설계된 맞춤 형 엔지니어링 폴리머를 제공함으로써 고온, 고하 중, 고 듀티사이클 응용 분야의 문제에 대한 솔루션 을 갖고 있다. 애플리케이션에 따라 여러 고려할 요 소가 있다. 일반적인 애플리케이션 요구 사항은 오 른쪽 가이드를 참조하면 된다. 자료제공: Haydon Kerk Pittman(www.haydonkerkpittman.com)

2023-01-05

소형모터의 강력한 힘, 자율이동로봇 발전에 큰 역할

Evocortex, 파울하버와 협력 독일 뉘른베르크에 기반을 둔 스타트업 기업 Evocortex(www. evocortex.org)는 경험 많은 로봇 전문가들이 참여하여 지난 2016년에 설립한 기업이다. 이 회사는 인접한 뉘른베르크 공과대 학 및 기타 교육ㆍ연구 기관과 긴밀한 협력을 통해 완전히 새로운 자율이동로봇(autonomous mobile robots, 이하 AMR) 개념을 추구하고 있다. 혁신적인 자율 운송 시스템을 통해 성장하고 있는 Evocortex는 FAULHABER(www.faulhaber.com, 이하 파울하 버)와 협력하여 수많은 종류에 필요한 높은 수준의 유연성과 정 밀도를 제공하고 있어 눈길을 끌고 있다. 정확한 위치 감지 Evocortex의 AMR은 위치를 결정하고 올바른 길을 찾기 위해 사 전 설치된 안내 시스템이 전혀 필요하지 않다. 그들은 홀 바닥의 요철을 사용하여 단순히 방향을 지정한다. 이것들은 겉보기에 매 끄럽게 보이는 콘크리트 바닥에도 존재하며 차량 하부에 장착된 고해상도 카메라에 의해 등록된다. 로봇은 이미지를 사용하 여 창고 바닥의 ‘표시’를 감지한다. 이 독창적인 시스템 뒤에는 Evocortex에서 자체 개발 한 ‘ELM(Localization Module)’이 있다. 초기 티치 과정에서 로봇은 격자 패턴으로 창고 바닥을 가로질 러 이동한다. 복잡한 알고리즘으로 개별 포인트 패턴에서 매우 정 확한 맵이 생성된다. 미래에는 스스로 학습하는 인공지능을 활용 해 수행될 것이다. 또한 컨트롤러는 차량 자체의 움직임을 감지한 다. 데이터를 결합하여 1㎢의 영역에서 ㎜(밀리미터) 이내로 정 확하게 위치를 지정할 수 있다. 이를 위해서는 3개의 식별 포인트 가 필요하다. 바닥의 50%가 톱밥으로 덮여 있어도 ELM은 흔들 리지 않고 견고하고 정확한 탐색을 보장한다. Mecanum 바퀴 일반 바퀴는 축과 같은 방향으로만 움직인다. 이러한 바퀴가 있는 차량을 정확하게 위치시키려면 주차할 때와 같은 방식으로 기동 해야 한다. 이를 피하기 위해 Evocortex의 개발자는 Mecanum 바퀴를 선택했다. 닫힌 실행 표면 대신 배럴 모양의 롤러가 림에 장착된다. 바퀴 축에 45도 각도로 고정되어 있으며 각 베어링 축 을 중심으로 회전할 수 있다. 롤러의 모양, 크기 및 간격은 바퀴에 연속적인 롤링 표면을 제공하도록 선택된다. 개별 바퀴의 회전 방향과 속도를 변경하여 차량을 정지 상태에 서 임의의 방향으로 조향하거나 그 자리에서 회전할 수 있다. 따 라서 수평 면에서 호버카(hover car)처럼 자유롭게 이동할 수 있 다. Mecanum 바퀴는 로봇의 민첩한 움직임을 모든 방향으로 가 능하게 한다. ㎜ 단위로 로봇 조정 Evocortex의 AMR은 또 크기를 무제한으로 선택할 수 있는 것이 특징이다. 이 회사의 매니징 디렉터 Hubert Bauer는 “고객의 요 구에 맞게 로봇을 밀리미터 단위로 조정할 수 있다. 400x480과 800x1200㎜ 사이의 모든 외부 치수를 실현할 수 있다”고 말했다. EvoRobot R&D 및 EvoRobot 산업용 제품 라인은 하중 지지 플랫폼의 외부 치수와도 거의 일치한다. 센서, 컨트롤러, 리프팅 장치 및 바퀴 드라이브와 같은 모든 기술은 플랫폼 아래에 있다. 바퀴 드라이브 모듈은 이러한 확장성을 위한 결정적인 요소이다. 바퀴 바로 위에 위치하며 바퀴와 함께 표준화되고 독립적인 기능 단위를 형성한다. 결과적으로 바퀴는 서로의 거리에 관계없이 장 착할 수 있다. 이 배치의 결정적인 전제 조건은 매우 작은 치수의 강력한 모터다. Hubert Bauer는 개발 단계를 회상하며 “시장에 나와 있는 어 떤 모터가 이 애플리케이션의 후보인지 결정하기 위해 매우 면밀 히 조사했다. 우리는 파울하버를 통해서만 필요로 하는 출력 밀도 를 찾을 수 있었다. 경쟁 제품의 모터에는 필요한 토크를 위한 공 간이 남아 있지 않았다”고 말했다. 소형 모터에서의 엄청난 힘 EvoRobot의 바퀴 모듈에는 3257 또는 3272 CR 시리즈의 DC마이크로 모터가 장착되어 있다. 각각에는 IEF3 인코더와 38/2S 감속기가 장착되어 있다. 빠른 정지를 위해 그리고 정지된 바퀴가 제자리에 고정된 상태를 유지하기 위해 바퀴 모터에는 브레이크 도 장착되어 있다. Hubert Bauer는 “이러한 마이크로 모터의 엄청난 힘 덕분에 EvoRobot은 최대 120㎏의 하중이 있는 팔레트를 임시로 운반할 수 있다. 이것은 최대 5도의 경사와 초당 1미터의 속도를 가진 램 프에서도 작동한다”고 설명했다. EvoCarrier 제품 라인은 소형 적재물 운반용으로 설계되었다. 창고 내부에서의 AMR의 작동은 ground clearance가 100㎜ 미 만인 만큼 훨씬 더 까다롭다. 따라서 개발자는 여기에서 길이가 21㎜에 불과한 4221 BXT 시리즈의 브러시리스 모터인 소위 ‘플 랫 로터 모터’를 선택했다. 장기적으로 EvoRobot과 함께 브러시 리스 모터로의 전환이 있을 것이며 모듈이 더욱 표준화될 것이다. 다음 단계에서 Evocortex는 2개 또는 4개의 EvoCarrier의 제 어를 결합할 계획이다. 그런 다음 그들은 유로 팔레트 또는 전 체 선반 유닛을 함께 운송할 수 있다. 전력과 볼륨의 비율 외에도 AMR의 작동에 중요한 역할을 하는 것은 무엇보다도 제로 유지 보수와 연속 작동의 신뢰성이다. 자료제공: Faulhaber(www.faulhaber.com)

2023-01-05

‘캐비닛 없는 설계’가 곧 미래 공간확보 및 단순화가 관건

최근에는 하드웨어 기능이 점점 진화함에 따라 더 작은 설치 공간 과 분산이 가능해졌다. 그러나 일부 구성 요소는 여전히 캐비닛에 설치되고 있다. 산업 혁명과 무어의 법칙(Moore’s Law)에서 인더스트리 4.0 및 로트(Lot) 크기 1에 이르기까지 산업 기술은 항상 스마트하며 빠르고 콤팩트한 생산을 목표로 해왔다. 기계는 컨트롤러, 산업용 네트워킹 및 모션 제어의 혁신을 통해 계속해서 소형화되고 더 효 율적이 됐다. 산업 전반의 제조업체는 새로운 자동화 기술을 의도 적으로 구현함으로써 더 많은 처리량, 더 높은 품질 그리고 더 많 은 공간을 확보하는 이점을 가지고 있다. 그러나 생산 현장에서는 여전히 상당한 공간을 차지하는 기계의 큰 부분의 하나가 바로 전 기 캐비닛이다. 캐비닛이 없는 디자인에 대한 아이디어는 완전히 새로운 것은 아 니며, 상당한 기반이 갖추어져 있다. 새로운 설계 및 재설계 또는 개 조를 위해 이 컨셉은 열악한 생산 환경에 대해 내구성이 높은 산업 용 컴포넌트를 필요로 한다. 여기에는 모션 제어 시스템 및 I/O 터 미널에서 기계 컨트롤러까지 모든 것이 포함된다. 캐비닛이 없는 기계에 대한 이면의 목적을 이해하는 것이 가장 중요하다. 캐비닛이 없는 디자인의 이점 캐비닛이 없는 디자인의 주된 이유는 공장 현장에서 사용 가능한 ‘공간 확보’라고 할 수 있다. 회사에서 전기 캐비닛에 필요한 공간 을 없앨 수 있다면 그 공간을 사용하여 더 많은 기계를 설치할 수 있다. 이는 제조업체와 기계 제조업체 OEM 또는 통합업체 모두 에게 이득이 된다. 더 많은 제품과 라인은 더 많은 기계와 시스템 을 구축하고 설치할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 캐비닛을 없앤다고 해서 기존 접근 방식보다 그 구현이 더 복잡하고 시간이 많이 소요되어서는 안 된다. ‘단순화’는 캐비 닛이 없는 디자인의 또 다른 목표이다. 기계에 장착할 수 있는 구성 요소를 사용하여 엔지니어는 더 많은 모듈식 설계를 생성해 케 이블 및 설치 노력을 줄일 수 있어야 한다. 이는 전기 캐비닛의 구 성 사항을 없애는 것 외에도, 잠재적인 오류를 없앤다. 표준 커넥 터를 사용하여 잘못된 배선 위험을 최소화하며 문제 해결 기능을 향상하고 비용을 절감한다. 캐비닛 요구 사항을 줄이면 최종 사용 자 시설에 기계를 배치할 때 운송비용도 절감할 수 있다. 또 다른 요인은 보다 기능적인 ‘분산 장치’에 대한 추진이다. 기 계 및 라인 전체에 스마트한 컴포넌트를 설치함으로써 보다 빠른 의사 결정 및 데이터 수집을 가능하게 한다. 여기에는 2차 컨트롤 러, 프로그래밍 가능한 안전장치, 안전 로직 및 IoT 게이트웨이가 포함된 통합 드라이브가 있는 서보 모터 등이 포함될 수 있다. 이 것의 핵심은 기능이 증가한다고 해서 기계의 크기가 커지지 않도 록 하는 것이다. 다행히도 많은 새로운 컴포넌트 및 케이블 연결 옵션을 통해 이 목표를 달성할 수 있다. 작은 공간에 스마트한 컴포넌트 설치 전기 캐비닛을 축소하거나 없애기 위해 기계를 설계 및 개조하려 면 대부분의 주요 컴포넌트를 다시 고려해야 한다. ▪ 분산 I/O 터미널 IP67 및 IP69K의 필드 장착 EtherCAT I/O 박스는 기계에서 직 접 통신 및 진단을 향상시킨다. 이는 프로그래밍 가능한 소형 모 션 제어 및 상태 모니터링과 같은 단순한 데이터 입력/출력 이상 의 기능을 제공한다. 예를 들어 가속도계가 내장된 터미널은 기계 진동을 측정하여 기계 상태를 진단하고 유지 관리를 예약할 수 있 다. 소형 박스 모듈은 특정 애플리케이션 요구 사항에 맞는 다양 한 케이블링 및 커넥터 옵션과 함께 산업용 강화 플라스틱, 스테 인리스 스틸 및 아연 다이 캐스트 폼팩터로 제공된다. ▪ OCA(One Cable Automation) 단일 케이블에 전원과 통신을 결합하면 기계에 필요한 공간과 컨트롤러에 다시 연결되는 케이블 수가 크게 줄어든다. 예를 들 어 개방형 EtherCAT P(EtherCAT + Power) 표준은 다양한 필 드 장치 및 모션 제어 구성 요소에 이러한 기능을 제공한다. 또한 EtherCAT 산업용 이더넷 시스템과 동일한 강력한 진단 및 기능 원리를 제공한다. 이 경우 토폴로지를 자유롭게 선택하고 혼합하 면 기존 방식과는 달리 고도로 모듈화된 배선에 또 다른 중요한 이점을 제공한다. ▪ 모터 및 드라이브 전통적으로 모터는 현장에서 사용할 수 있도록 견고하게 제작된 반면, 금속 캐비닛은 보다 민감한 드라이브를 보호하며 분리된 상 태로 유지된다. 캐비닛이 없는 개념을 위한 솔루션은 다양한 크기 로 제공되고 기계 전체에 분산될 수 있는 통합 드라이브가 있는 서보 모터이다. Beckhoff의 ‘AMP8000’과 같은 분산 서보 시스템은 모터와 드 라이브가 모두 열악한 생산 환경을 위해 강화되도록 보장하고 공 간 요구 사항을 줄이고 온보드 안전 로직(SS1, STO 등)과 같은 기 능들을 전체에 확산시킨다. AMP8000을 포함한 특정 제품군에서 는 여러 통합 모터 증폭기 구성 요소가 EtherCAT P를 통해 기본 IP65 공급 모듈에 연결되고 해당 모듈은 단일 케이블로 단일 서 보 드라이브 또는 기계 컨트롤러로 다시 통신한다. ▪ 기계 제어 PLC(Programmable Logic Controller), PAC(Programmable Automation Controller) 및 IPC(산업용 PC)는 엔지니어가 보호 인클로저 외부에 설치하는 것을 상상할 수 있는 마지막 구성 요소 중 일부다. 충돌 가능성이 없는 안전한 환경이 필요하며 팬, 버튼, 인터페이스 및 물, 먼지 등의 오염 물질이 들어갈 수 있는 기타 구 멍이 있을 수 있다. Beckhoff의 차세대 기계 컨트롤러(IPC 및 패널 PC 모두)는 이러한 문제 영역을 정면으로 해결하고 있다. 패시브 냉각, 새로 운 커넥터 유형 및 견고한 하우징은 충격, 극한 온도를 견디고 기계 전체에 분산된 I/O 및 모션 시스템에 쉽게 연결할 수 있는 IP65/67 등급 IPC를 가능하게 한다. ▪ 전원 공급 장치 말 그대로 전기 캐비닛을 통해 전기를 공급받는 일부 제조업체는 이제 현장에 장착할 수 있는 전원 공급 장치를 제공한다. 컨트롤 러에서 모터에 이르기까지 여러 요구사항에 필요한 전원을 공급 할 수 있다. 그러나 상대적으로 새로운 개발로서 현장 실장 전원 공급 장치는 아직 다른 구성 요소에 비해 입증된 실적이 없기 때 문에 엔지니어링 커뮤니티에서 이 혁신을 채택하는 속도가 느릴 수 있다. 또한 안전한 전력 공급은 캐비닛이 없는 설계에서 가장 문제가 되는 측면 중 하나이며 이러한 문제는 곧 논의될 것이다. 물론 이 목록이 완전한 것은 아니다. 구성 요소가 더 기능적이 고 확장됨에 따라 다소 달라질 수 있다. 예를 들어 공간 절약형 설계에 서보모터, 출력단 및 다중 필드버스 연결을 결합한 최근 Beckhoff AMI812x 제품군의 소형 드라이브 구성요소를 생각해 보자. 정지 토크가 0.5~1.1Nm인 이 구성 요소 제품군은 다양한 모 션 제어 요구 사항을 충족하고 필요한 표준 I/O 모듈 수를 줄이며 모터 매개변수(예: 과전압, 저전압, 과전류 또는 모터 부하) 모니 터링을 제공한다. 이러한 작은 변경이 제어 캐비닛을 축소하거나 제거할 수 있는 큰 기회를 만들 수 있다. 캐비닛이 없는 개념은 거의 모든 산업에 영향을 미친다. 무엇보다 내부물류 및 패키징 라인이 즉시 혜택을 누릴 수 있다. 내부 물류에서의 캐비닛리스 디자인 DC(distribution centers; 물류 센터)의 물류 처리 자동화는 COVID-19 전염병 이전에 꾸준히 성장했으며 그 결과 가속화되 었다. AGV(Automated Guided Vehicles) 및 자율 셔틀 시스템 은 이미 IPC, I/O 및 모션 제어를 기계에 직접 통합한다. 그러나 보다 전통적인 DC 기술은 이러한 기능을 빠르게 채택하지 않았 다. 창고 바닥을 가로질러 뻗어 있는 긴 컨베이어와 분류기는 라 인 토폴로지를 사용할 수 없고 진단 기능이 부족하고 물리적 거리 에 제한이 있는 등 필드버스의 단점을 안고 있다. 이는 고속 병합 및 분류 시스템 중단에 영향을 미치며 경쟁이 치열한 전자 상거래 시장에서 심각한 주문 취소로 이어진다. 캐비닛이 없는 개념과 EtherCAT은 내부 물류 장비 공급업체인 ‘EuroSort’의 이러한 문제를 해결했다. Gap Inc. 유통센터(ishkill, New York)에 대형 분할 트레이 분류 시스템 및 기타 솔루션을 설 치할 때 EuroSort는 현장 장착형 EtherCAT I/O 및 단일 케이블 기술을 구현했다. 더 짧은 스캔 시간과 함께 EuroSort는 배선 및 패널 요구 사항을 줄이고 시운전을 단순화하고 DC 전체에 기능 안 전을 포함한 기능을 분산시켰다. 장비 설치 공간 감소와 더 높은 시스템 성능을 고려할 때 새로운 EuroSort 분할 트레이 분류기의 실질적인 혜택을 Gap Inc. 및 기타 고객들은 이미 누리고 있다. EuroSort의 영업 및 마케팅 부사장인 Greg Meyer는 “100% 더 빠른 스캔 시간을 달성하고 PC 및 EtherCAT 기반 분류기의 전 반적인 정확도를 높이는 것은 큰 이점이었다. Gap Inc.가 새로운 주문 처리 센터에서 새로운 EuroSort 분할 트레이 분류기를 사용 하기 시작하자 주문 처리 정확도가 교체된 기술에 비해 2% 증가 했다. 이러한 개선으로 소매업체는 수천 건의 값비싼 반품을 피할 수 있었다” 라고 설명했다. 포장라인에서의 캐비닛리스 디자인 포장 산업은 처리량을 최대화하고 전환을 위한 가동 중지 시간을 최소화하는 새로운 방법을 계속해서 만들고 있다. 그러나 기계 설 치 공간은 CPG(consumer packaged goods; 소비자 포장 제품) 제조업체와 계약 포장업체에게 여전히 중요한 장벽으로 남아 있 다. 이러한 기업은 lot 크기 1에 이르기까지 다양한 수량과 더 많 은 사용자 정의로 더 많은 제품을 생산해야 한다. 캐비닛이 없는 설계가 이를 가능하게 한다. 이를 위해 Syntegon(구 Bosch Packaging)은 애플리케이션의 약 40%에서 기둥 장착형 IP65 패널 PC를 사용하고 나머지 40% 는 기둥 장착형 제어 패널을, 마지막 20%는 내장형 캐비닛 장착 형 제어 패널을 사용한다. 포장 기계 회사가 HMI 4.0이라고 부르 는 이 시각화 프로그램은 맞춤형 푸시 버튼 확장을 통해 멀티터치 작업자 인터페이스에 직접 기계 제어를 제공한다. 패널 PC는 또 한 Syntegon의 표준화 결정에서 또 다른 주요 요소인 더 큰 IIoT 기능을 가능하게 한다. 여기에 적절한 예는 제어 및 작업자 인터페이스에 패널 PC 를 사용하는 새로운 트레이 및 상자 제조기이다. 기계에 장착된 EtherCAT Box I/O 모듈은 데이터 수집 및 기타 기능을 기계 전 체에 확산시킨다. 가장 중요한 것은 분산 서보 시스템이 통합 드 라이브가 있는 여러 서보 모터에 전원을 공급하는 단일 분배 모듈 로 조정된 다축 모션을 제공한다는 것이다. 이 기계는 여러 상자 유형에서 분당 최대 240개의 상자를 처리할 수 있는 성능을 제공 하며, 이를 위해 매우 작은 캐비닛만을 필요로 한다. 전력 및 플랜트 환경 캐비닛이 없는 기계 개념에 대한 주요 장벽은 전력이다. 먼지, 습 기 및 기타 위험 요소로 인해 IPC, I/O, 재생 기능이 필요한 모터 및 기타 구성 요소를 현장에 설치하는 것이 어려울 수 있지만 이 것은 가까운 미래에 해결될 것이다. 전기 공급 및 결합 부품에 대 한 전망은 그리 밝지만은 않다. 첫째, 이러한 제품은 일반적으로 야외 설치를 위해 고려되지는 않았다. 또한 표준 제품을 만들고자 하는 기계 제조업체의 경우 전 기 구성 요소가 별도의 캐비닛에 있는 경우 다른 글로벌 및 지역 표준과 함께 NEC(National Electric Code)를 충족하는 것이 훨 씬 쉽다. 종종 절연 변압기와 20A 이상의 전력을 끌어오는 기계에 대한 추가 안전 회로 분기가 필요하다. 이러한 구성 요소는 기계에 직접 결합될 수 있다. 그러나 일부는 상당히 크고 상당한 열을 발 생하므로 통합하는 것이 불가능하고 잠재적으로 안전하지 않다. 예를 들어 제조 과정에서 대형 CNC 플라즈마, 레이저 및 워터 젯 절단기는 상당한 전력을 필요로 한다. 공급 범위는 일반 파이 버 레이저 절단기의 경우 8kW에서 많은 플라즈마 절단기의 경우 60kW 및 300A까지 다양하다. 이 장치는 자체적으로 크고 큰 퓨 즈도 필요하다. 일부 구성 요소는 여전히 캐비닛 외부로 이동할 수 있으므로 설 치 공간을 줄이고 구현을 단순화하며 기능들을 배포할 수 있다. 그러나 제조 응용 분야에는 종종 워터 제트에 사용되는 연마 재 료, 금속 부스러기, 큰 움직이는 물체 등을 보호해야 하는 것과 같 은 다른 어려움이 있다. 이러한 이유에서 전기 캐비닛이 완전히 사라지지는 않겠지만 이 분야의 엔지니어는 제조 작업 현장의 공간을 줄이기 위한 자동 로딩 또는 기타 시스템을 설계할 것이다. 그러나 이러한 어려움들이 캐비닛이 없는 설계의 이점을 무효화 하지는 못한다. 캐비닛의 최소화 일부 기계 및 산업 분야의 어려움에도 불구하고 캐비닛이 없는 설 계가 곧 미래다. 자동화가 계속 확산됨에 따라 기업은 더 작은 공 간에서 더 많은 작업을 수행하기 위해 더 많은 기계를 설치해야 한다. 전기 캐비닛을 없앰으로 확보된 공간을 통해 새로운 제품 라인에 투자할 수 있다. IIoT 및 Industry 4.0 개념과 마찬가지로 캐비닛이 없는 기술의 응용이 시작됐다. 더 많은 엔지니어가 기계 설계에서 이 새로운 패러다임을 수용함에 따라 공급업체는 해당 비전을 지원하기 위 해 더 많은 구성 요소를 생산할 것이다. 컨트롤러 및 제어 패널에서 I/O 및 모션 시스템에 이르기까지 다 양한 자동화 장치는 전기 캐비닛을 크게 축소하는 데 필요한 보호 등급과 기능을 이미 갖추고 있다. 자료제공: Beckhoff(www.beckhoff.com)

2023-01-05

복합물류시스템의 핵심 기술 ‘LMS’ (Linear Magnetic Moving System)

아진엑스텍(www.ajinextek.com)이 지난 10월 ‘2022 국제모션컨트롤산업전’을 통해 처음으로 LMS(Linear Magnetic Moving System) 설비를 선보여 눈길을 끌었다. 아진엑스텍 관계자는 “우리 회사는 국내에서 유일하게 모션제어 원천기술을 보유하고 있는 기업으로 다양한 반도체, 로봇, 이차전지, FA 등 다양한 장비시장에 필수적인 제어 기술을 강점으로 성장을 해왔다”고 설명하며 “이런 강점을 활용해 향후 물류이송 시장에 혁신을 가져다 줄 LMS 설비의 제어 모듈을 개발해 첫 선을 보였다”고 말했다. 그동안 리니어 레일을 따라 물류를 이동시키고 생산 공정에 따라 제품을 이동시키는 리니어 기술은 다양한 분야에서 사용되어 왔다. 그러나 기존의 리니어 시스템은 레일에 마그넷을 부착하여 상부의 코일이 이동하는 형태였다. 레일의 길이에 따라 마그넷의 개수가 늘어나 제작비용이 높은 것이 단점으로 지적돼 온 것이 사실이다. 그러나 이번에 아진에서 선보인 LMS 기술은 레일을 따라 코일을 부착하고 마그넷은 별도의 상부 캐리어 밑면에 장착하는 구조로써, 마그넷의 소요수량을 대폭 줄였다. 이에 따라 전체 모듈의 제작비용을 크게 절감시켜주는 효과를 가져다준다. 또한 고가의 리니어 스케일(Linear Scale)이 아닌 홀센서(Hall Sensor)를 사용함으로써 비용 절감 효과가 더욱 높은 구조라고 할 수 있다. 특히 LMS는 비접촉 위치 측정이 가능하며 케이블이 움직이지 않아 진공 내에서 모션제어가 가능하고 진공 외부에 전기 케이블링 작업을 할 수 있도록 설계됐다. 또한 모션 제어 드라이브를 모듈화 하여 각 코일(모듈)별로 분리, 교체하고 보완할 수 있어 타사 제품 대비 유지보수가 편리하다는 장점이 있다. 아진엑스텍이 개발한 LMS 모듈에는 리니어 모터와 LMS 구동 드라이브, 2개의 고분해능 리니어 엔코더, 초기 위치 감시 센서 보드, 캐리어 ID 체크 보드 그리고 상호 연결 케이블이 장착되어 있다. 이를 소형화 하여 드라이브와 코일을 일체화 한 것이 아진엑스텍이 선보인 LMS만의 차별화된 기술이다. 또한 2개의 고분해능 리니어 엔코더는 복합 물류에서 필수적인 요소다. 아진엑스텍 관계자는 “그동안 모션제어의 전문기업으로 성장해온 아진엑스텍은 로봇, 메타버스 등과 같은 미래 유망사업을 통해 스마트 팩토리 분야의 솔루션 전문기업으로 발돋움 해 나가고 있다”며 “이번 국제모션컨트롤산업전에서 선보인 LMS를 통해 스마트 고속 복합 물류 및 정밀 공정 플랫폼 시장 등 새로운 시장을 창출해 나갈 뿐 아니라 높은 성과를 내도록 노력할 것”이라고 포부를 밝혔다. 자료제공: 아진엑스텍(www.ajinextek.com)

2022-12-03

바이오 3D 프린팅의 성공적 작동,‘선형 모션 기술’에 달렸다

Schneeberger 강성·속도·정밀도 향상에 중요한 영향 바이오 프린터 OEM에서 제품 설계 엔지니어, 기계 엔지니어 및 설계 엔지니어링 관리자는 그들의 비전, 설계 및 기술의 잠재력을 장비, 시스템 및 솔루션을 통해 현실로 바꾸는 일을 담당한다. 도전 과제에는 정확성, 정밀성, 소형화, 맞춤화, 생체 재료, 그리고 항상 생물학적 안전성 등이 필요하다. 새로운 바이오 프린팅 기술과 현재 및 미래의 무수한 애플리케이션 외에도, 설계자는 프린터 구성 요소가 설계에 따라 작동할 수 있도록 하는 선형 모션 시스템을 포함한 중요한 핵심 구성 요소의 새로운 개발 및 필수 기능을 파악해야 한다. 바이오 프린터에 적용되는 모션 선형 기술 선형 모션 구성 요소는 바이오 프린터의 성공적인 작동에 중요한 역할을 한다. 그들은 장치의 프린트 헤드, 노즐, 레이저 또는 전자 빔의 움직임을 정확하게 안내해야 하며 때로는 재료 베드도 움직여야 한다. 이는 광조형 및 소결, 직접 금속 레이저 소결, 직접 금속 레이저 용해, 전자빔 용해를 비롯한 모든 관련 적층 제조 기술에 적용되는 요구 사항이다. 저비용 바이오 프린터 장르에서 새롭게 수정된 데스크톱 옵션은 부싱 및 벨트 드라이브 또는 강철 막대 및 기본 볼 베어링과 같이 3D 프린팅 선구자들이 사용했던 정확한 메커니즘을 사용하여 선형 움직임을 여전히 규제한다. 이 배열은 저렴하고 더 많은 간단한 바이오 프린팅 작업에 대한 적절한 제어를 제공한다. 그러나 오늘날에는 훨씬 더 작은 바이오 프린터 설계자들이 볼 베어링이나 롤러가 있는 프로파일 선형 가이드 웨이와 같은 고급 선형 모션 솔루션으로 눈을 돌리고 있다. 벨트 및 로드 시스템보다 비용이 더 많이 들며 평균 3배 더 비싸다. 그러나 보다 발전된 바이오 프린팅 응용 분야에 대한 이점은 결정적이다. 보다 더 높은 강성은 링잉(rining)이나 백래시와 같은 성가신 문제가 없는 프린팅을 가능하게 한다. 또한 로드 및 벨트 배열의 다른 문제를 피하는 데 도움이 된다. 이러한 문제는 종종 너무 빡빡하거나 너무 느슨하다. 대신 선형 가이드 웨이의 고정밀 가공 공차가 매우 부드러운 동작을 보장해준다. 애플리케이션이 데스크톱 솔루션으로 수용할 수 있는 능력 이상으로 이동하거나 독특한 프로토타입을 생성할 필요성을 넘어서면 복잡한 바이오 프린트 애플리케이션의 과제를 해결하기 위해 현대적인 인쇄 기술이 필요하다. 이러한 애플리케이션 전용 바이오 프린터는 완전히 새로운 수준의 선형 모션 성능 구현이 필요하다. 결과적으로 OEM과 계약한 공급업체는 강성, 속도 및 정밀도와 같은 훨씬 더 높은 수준의 중요한 특성을 가진 선형 모션 솔루션을 제공해야 한다. 바이오 프린터에 자주 적용되는 최신 모션 구성 요소에는 볼이 있는 프로파일형 가이드 웨이, 프로파일형 미니어처 가이드 웨이, 미니어처 볼 나사 및 선형 모션 시스템이 포함된다. 통합은 계속되는 추세이다. 레일이나 슬라이드와 별도의 인코더를 구입한 다음 정렬하는 데 어려움을 겪는 이유는 없으며, 통합 인코더/측정 시스템으로 가이드 웨이를 지정하면 설정 시간과 문제를 절약하는 동시에 총 소유 비용을 줄일 수 있다. 유지 관리도 마찬가지로 중요한 문제이다. 유지보수를 단순화하려면 통합된 장기 윤활 기능 또는 내마모성이 확장된 재료와 같은 기능에 중점을 둔다. 경험 풍부한 선형 모션업체와 성공적인 파트너십이 중요 바이오 프린터 OEM은 그 자체로 전문가이지만 선형 모션 기술의 특성에 문제가 있는 경우 많은 자원이 제한적이다. 경험이 풍부한 선형 모션 공급업체와 협력하면 사실상 엔지니어링 팀을 확장할 수 있다. 성공적인 프로젝트를 위한 최상의 기반을 구축하기 위해 협력업체 관계 형성하는 것이 좋다. ▶ 빠른 적용 : 설계 프로세스가 시작될 무렵에 공급업체에 전화를 걸어 NDA(nondisclosure agreement)를 준비하고 공급업체를 활용하여 선형 모션 요구 사항의 범위를 미리 지정하고 수량화 한다. 이를 통해 공급업체는 초기 계획에서 최종 설계 동결에 이르기까지 올바른 솔루션을 추천할 수 있는 최대 시간과 범위를 확보할 수 있다. ▶ 성능에 대한 디자인 : 제시된 설계에 대한 모션 문제와 가능성을 공급업체가 신속하게 보여줄 것이다. 전문 공급업체는 절충점을 식별하고 대안을 제안할 수 있다. 목표는 나중에 수정하기 어려운 성능 결함을 사전에 방지하기 위함이다. ▶ 비용을 고려한 디자인 : 프린터의 시장 가격을 공급업체와 공유하는 것이 좋다. 숙련된 공급업체는 품질이나 서비스 수명 연장 없이 이를 충족하기 위해 노력할 것이다. 궁극적인 목표는 프린터 수명 동안 가장 낮은 총 소유 비용으로 최적의 성능을 제공하는 최상의 균형을 이루는 것이다. ▶ 사용자 지정 옵션 탐색 : 많은 경우, 기성의 표준 구성요소로서는 특정 디자인에 적합하지 않거나 적절한 성능을 제공할 수 없다. 옵션의 가능성은 항상 열어 두어야 한다. 적합한 파트너는 설계 및 애플리케이션의 고유한 사양과 요구 사항에 맞게 솔루션을 조정할 것이다. 강성 바이오 프린터의 선형 모션 시스템의 성능은 문자 그대로 그리고 더 나아가서 그 기반에 달려 있다. 고성능이 요구되는 곳에는 두께, 프레임 구성 및 재료와 같은 요소에 충분한 강성이 요구된다. 달성하려는 모든 최종 성능 사양과 일치해야 한다. 강성은 평탄도 및 진직도와 같은 요소에 영향을 미친다. 예를 들어, 제조업체는 필요한 두께와 적절하게 견고한 디자인의 스테인리스 스틸로 만들어진 선형 모션 레일 2를 레일보다 얇은 알루미늄 플레이트에 부착하려고 시도할 수 있다. 피할 수 없는 결과는 처짐이다. 여기서 처짐은 레일이 적용된 힘에 의해 지시된 방향으로 약간이라도 구부러질 수 있음을 의미한다. 이는 부드러운 이동과 반복성에 영향을 미치며 결과적으로 인쇄된 제품의 균일성을 저하시킬 수 있다. 그러나 가장 진보된 선형 운동 제품이라도 외부 움직임이 가능한 기반 위에 놓이면 뛰어난 속도와 정밀도를 제공할 수 없다. 전통적으로 대부분의 3D 프린터는 판금 캐비닛이나 알루미늄 테이블과 같은 구조물에 장착된다. 불행히도 이러한 베이스는 현대 바이오 프린터 제조 장비에서 요구하는 수용 가능한 강성을 제공하지 못한다. 따라서 대신 강력하게 건축된 강철 또는 철 구조물 또는 화강암 기초에 대한 권장 사항이다. 또 다른 혁신적인 선택은 광물과 에폭시 수지로 구성된 하부 구조이다. 이 미네랄 캐스트 베이스는 진동 감쇠, 내화학성 및 열 안정성이 뛰어난 프린터 베드를 제공한다. 또한 맞춤형 개구부, 공간 및 배선 채널을 포함하여 주어진 프린터에 필요한 윤곽과 치수를 수용하도록 형성할 수 있다. 또한 강철, 회주철 또는 주철에 비해 기술적, 경제적, 생태학적 이점이 있다. 초기에 선형 모션 공급업체와 예상 부하 및 프린터 구성에 대해 논의하여 결과 시스템이 처음부터 모든 힘과 조건을 견디고 의도한 애플리케이션의 모든 정확도와 정밀도 요구 사항을 충족하도록 설계되도록 한다. 속도 선형 모션 시스템의 이동 속도는 기본적으로 프린터의 생산 속도를 정의한다. 변형과 같은 문제를 방지하기 위해 일부 바이오 프린터의 일부 작업에는 상대적으로 느린 속도가 필요한다. 다른 경우 과도한 이동 가속은 링잉에서 고스팅(ghosting), 필라멘트 얼룩에 대한 레이어 접착 부족에 이르기까지 문제를 일으킬 수 있다. 대부분의 경우 제조업체는 선형 모션 공급업체에 가능한 한 최대 속도를 제공하도록 요청한다. 최고의 생산성 또는 출력이 요구될 때는 선형 운동 요소가 가능한 한 빠르게 가속될 수 있는 것이 필수적이다. 그러나 정착 시간은 종종 또 다른 주요 특성이다. 즉, 각 가속 단계 후에 상당한 진동 없이 정지하는 데 레일 또는 움직이는 부품에 부착된 기타 구성 요소가 걸리는 시간이다. 그러나 이러한 요소는 프린터가 생산하는 특정 항목의 프린터 디자인, 재료, 모양, 두께, 해상도 및 기타 특성과 어떤 선형 모션 구성 요소가 사용되었는지에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 최적의 구성에서, 오늘날의 고성능 선형 모션 시스템 중 일부는 정확한 위치에서도 50ms의 낮은 단계 및 조정 간격으로 일정한 속도를 얻을 수 있다. 이를 통해 초당 최대 1000 mm로 작동하는 오늘날 사용 가능한 가장 빠른 산업용 프린터가 가능하다. 특정 애플리케이션에서 달성할 수 있는 것이 무엇인지 결정하려면 제조업체와 공급업체 간의 논의가 필요하다. 정밀도 선형 모션 장비의 선택은 작동하는 바이오 프린터가 요구하는 위치 정확도와 반복성(정밀도)의 정도에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 채택된 선형 모션 기술은 정확도, 반복성 및 해상도를 포함하여 최종 애플리케이션에 대한 중요한 성능 요구 사항에 영향을 미친다. 바이오 프린팅 공정의 최종 사용자가 주어진 공차 또는 평탄도/부드러움 사양을 달성하기 위해 인쇄 후 마무리 단계를 사용하는 경우 1차 인쇄에서 극도의 정밀도가 필요하지 않을 수 있다. 그러나 이 범위의 프린터에 적합한 선형 모션 시스템은 ±50 또는 100 um까지 위치 정밀도를 제공할 수 있다. 단, 완성된 아이템의 내부 기능은 완성 후 쉽게 접근이 불가능할 수 있다. 또한 바이오산업을 선도하는 OEM은 추가 마감 처리를 최소화하기 위해 접근 방식을 발전시키고 있다. 따라서 모든 지점에서 정확한 치수와 모양을 얻으려면 매우 정확한 선형 운동이 필요하다. 많은 바이오 프린터 응용 프로그램은 이제 고성능 공작 기계에서 전통적으로 요구되는 선형 모션 장비의 정밀도 수준을 초과하고 있다. 그리고 바이오 제조기술이 계속 발전함에 따라, 선도적인 선형 모션 공급업체가 반도체 제조를 위한 초정밀 나노 스케일 장비로 설계하는 것과 같이 더 높은 수준의 정밀도를 요구하는 많은 애플리케이션이 예상된다. 이러한 후자 그룹에 속하는 바이오 프린터 요구사항의 경우, 선형 기술 공급업체는 제조업체가 완전히 새로운 수준의 정밀도를 달성할 수 있도록 특정 요구사항에 대해 협의하고 가능한 선형 모션 솔루션의 정확한 기능을 기꺼이 비교할 수 있어야 한다. 여러 요소가 특정 프린터 디자인과 바이오 프린팅을 해야 하는 항목에 따라 다르다. 그 외에도 선형 기술 공급업체는 선형 모션 시스템의 강성, 평탄도, 하중/예압 및 건축 자재에서 작동 온도 및 진동/공진 가능성에 이르기까지 문제를 해결하고 일정 속도 및 스트로크 길이와 같은 요소를 고려해야 한다. 그러나 올바른 조건에서 오늘날 우수한 선형 모션 시스템은 특정 바이오 프린터가 0.5에서 0.1um까지 반복 가능한 정확도를 달성할 수 있도록 한다. 선형 모션 기술의 발전으로 고성능 바이오 프린팅 가능 오늘날의 고급 선형 모션 시스템은 바이오 프린팅 애플리케이션이 요구할 수 있는 정밀도를 제공할 수 있고 또 제공하고 있다. 바이오 프린터 제조가 폭발적인 발전을 계속함에 따라 속도와 효율성이 증가하며 바이오 재료의 사용이 확산될 것이다. 바이오 프린터의 선형 모션 능력이 성장할 여지는 충분하다. 예를 들어, 더 작고 더 작은 규모로 분배 요소의 움직임을 정확하게 제어하면 바이오 프린터가 더 미세한 체세포 구조를 제조할 수 있다. 정맥 조직은 2016년에 처음으로 성공적으로 인쇄되었다. 멀지 않은 미래에 완전한 기능을 갖춘 3D 인쇄 인간 장기가 예측된다. 한편 점점 더 많은 바이오 프린터 OEM이 도전적이고 최첨단이며 많은 경우 고유한 제품을 위한 고급 선형 모션 솔루션의 이점을 탐색하고 있다. 올바른 공급업체는 전문가 설계, 수용 가능한 리드 타임, 소유 비용 절감, 안정적인 품질, 보람 있는 파트너십과 같은 이점을 제공하기 위해 우려와 장애물을 극복할 수 있다. 또한 올바른 선형 기술은 진정한 고성능 바이오 프린팅을 가능하게 하는 강성, 속도, 정확도, 정밀도, 소형화, 맞춤화, 재료 호환성 및 바이오 안전성과 같은 중요한 특성을 제공할 수 있다. 자료제공: Schneeberger(www.schneeberger.com)

2022-12-03

서보 드라이브의 효율성 향상과 전력손실 최소화 방법 ①

Celeramotion 동력손실을 최소화 하는 것이 목표 금번 에서는 서보 드라이브의 전력 손실에 대한 근본적인 원인과 스위칭, 전도 및 정지 손실의 개념에 대해 논의하고자 한다. 또한 드라이브 효율성을 계산하는 포괄적인 방법을 제시하고 효율성 개선을 위한 권장 사항을 제시하고자 한다. 동력 흐름과 손실 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 과정에서 전기적 입력과 기계적 출력 사이의 모든 요소는 열 손실의 형태로서 동력 손실을 나타낸다. 서보 드라이브의 전자 장치, 전원 케이블, 모터 권선 및 기계적 손실은 전기에너지로부터 기계에너지로 변환하는 과정에 발생하는 동력 손실 원인의 일부이다. 의 다이어그램은 동력 흐름과 손실을 보여준다. 동력 손실은 시스템의 전력 소비를 증가시킬 뿐만 아니라 열로 변환된다. 온도 상승은 시스템 작동을 악화시키고 구성 요소의 기대 수명을 감소시키기 때문에 시스템으로부터 열을 줄여야 한다. 또한 열 배출에 대한 조치는 비용이 많이 들고 고밀도 통합 및 크기 축소를 복잡하게 만든다. 이러한 이유로 서보 구동 시스템에서는 동력 손실을 최소화하는 것이 항상 목표가 되어야 한다. 효율 효율(η)은 기계적 출력(Pout)과 입력 전력(Pin) 간의 비율로 정의된다. η = Pout/ Pin DC 서보 구동 모터에서 입력 전력은 전원 공급 장치 또는 배터리 시스템에서 제공되는 전력이다. 단일 전원이 사용되는 경우 다음과 같이 계산할 수 있다. Pin = Vbus * Ibus 여기서 Vbus는 전원 공급 장치 DC 전압(POW_SUP과 GND_P 단자 사이)이고, Ibus는 이 전원 공급 장치에서 제공하는 전류이다. 그러나 서보 드라이브가 이중 전원(전원 및 논리를 위한 다른 공급)을 사용하는 경우 두 공급을 모두 고려해야 한다. 이중 공급 시스템에서 Pin은 다음과 같이 계산할 수 있다. Pin = Vbus* Ibus + Vlogic*Ilogic 여기서 Vlogic은 논리 공급 전압(+LOG_SUP과 GND_D 단자 사이)이고 Ilogic은 논리 공급에서 제공하는 전류이다. 출력 동력은 다음과 같이 정의되는 모터가 제공하는 기계적 출력이다. Pout = ωout * τout 여기서 ωout은 출력 회전 속도(rad/s)이고 τout은 출력 토크(N·m)이다. 서보 드라이브의 동력 손실 시스템의 모든 요소에는 손실이 있으며 이는 시스템 가열에 기여한다. 기계적 손실은 주로 베어링과 기어에서 발생하며 모터 손실은 주로 권선의 저항 손실과 코어의 자기 손실로 구성된다. 기계적 및 모터 손실에 대한 자세한 내용은 제조업체 데이터를 참조하면 된다. 서보 드라이브의 동력 손실은 주로 DC 입력 공급에서 AC 출력 전압으로 변환하는 파워 스테이지(power stage)에 의해 발생한다. 또한 서보 드라이브의 다른 블록은 전력 손실에 기여한다. 은 서보 드라이브의 주 동력 손실 소스의 블록 다이어그램을 보여준다. ▶ 파워스테이지 파워 스테이지는 의심할 여지없이 서보 드라이브에서 동력 손실의 주요 원인이다. DC 입력 전원을 AC 출력 모터 전압으로 변환하는 6개의 트랜지스터로 구성된다. 각 트랜지스터 쌍(half-bridge라고도 함)은 상호 보완적으로 전환되어 PWM(펄스 폭 변조) 출력 전압을 생성한다. 모터 권선은 주로 유도 회로이기 때문에 고주파 PWM(20kHz ~ 200kHz)을 적용하면 전압이 필터링 되어 연속 전류가 생성된다. 각 하프 브리지는 다른 ON 시간 대 기간 비율(듀티 사이클)로 모터 위상을 여기시켜 다른 평균 출력 전압을 생성하므로 모터를 통해 전류가 흐른다. 듀티 사이클이 시간에 따라 달라지면 출력 전압이 저주파 AC 신호가 될 수 있다. 트랜지스터를 통한 전류 흐름은 전도 손실이라고 하는 것을 생성하고 트랜지스터의 활성화 및 비활성화는 스위칭 손실이라고 하는 것을 생성한다. Celeramotion의 Ingenia 서보 드라이브는 MOSFET 또는 GaNFET 트랜지스터를 기반으로 한다. 이러한 트랜지스터는 전압 제어 저항기로 모델링할 수 있다. 트랜지스터가 활성화되면 저항이 매우 작아(Rdson으로 알려짐) 전류가 트랜지스터를 통해 흐른다. 트랜지스터가 비활성화되면 저항이 매우 높아 개방 회로로 간주할 수 있다. 전도 손실(Pcond)은 Rdson 저항에서 생성된 손실이다. 활성화된 하프 브리지(half bridge)당 항상 하나의 트랜지스터가 있기 때문에 위상당 총 전도 손실은 다음과 같이 모델링할 수 있다. Pcond = Rdson * Iph2 여기서 Iph는 위상 출력 전류이다. Rdson은 일정하지 않지만 온도에 따라 증가한다. 따라서 온도가 높을수록 동력 손실이 커진다. 동력 손실을 줄이기 위해 서보 드라이브를 올바르게 소산시키는 것이 매우 중요하다. 트랜지스터가 비활성화되면 전류가 0인 동안 단자 사이의 고전압을 처리한다. 활성화되면 단자의 전압은 매우 낮은 반면 많은 양의 전류가 흐를 수 있다. 트랜지스터의 정상적인 작동은 전류가 0일 때(트랜지스터 비활성화) 단자 사이에 높은 전압을 가지거나 전류가 높을 때(트랜지스터 활성화) 매우 작은 전압 강하(Rdson)를 갖는 것이다. 그러나 두 상태 사이의 전환은 순간적이지 않으며 이 과정에서 일부 지점에서 트랜지스터 단자 사이에 고전류와 고전압이 모두 존재한다. 이는 매우 짧은 시간(

2022-12-03

안정적인 시스템 설계하려면‘케이블 선택’이 관건

Kollmorgen 케이블 간과하면 오히려 시스템에 역효과 기본 케이블 구성 케이블은 최대 성능을 위한 특정 애플리케이션을 위해 의도된 특성으로 설계 및 제조된다. 기본 케이블 구성의 각 요소는 고유한 역할을 한다. 모든 케이블에는 적절한 전류용량의 단일 또는 다중 도체, 적절한 전압 항복 사양이 있는 절연, 개별 도체 또는 쌍을 위한 전체 차폐 또는 다중 차폐, 기계적, 화학적, 및 환경요소가 다양하게 포함돼 있다. 추가 케이블 요소에는 케이블에 균일한 원형 단면 모양을 제공하기 위해 포일 실드, 바인딩 테이프, 내장된 강철 지지 와이어 및 필러와 함께 사용되는 드레인 또는 접지 와이어가 포함될 수 있다. 선정기준 케이블 선택은 온도, 습기, 화학 물질 노출, 마모, 휘어짐 및 예상 수명과 같이 사용 중 케이블에 영향을 미치는 작동 조건을 특성화 하는 것으로 시작된다. 선택한 절연체의 적절한 유형과 두께는 작동 전압에 따라 다르다. 도체 수와 전류 요구 사항은 모터 및 드라이브 제조업체에서 지정한다. 가능한 옵션에는 별도의 피드백 및 전원 도체 또는 하나의 복합 전원 및 피드백 케이블이 포함된다. 케이블 및 케이블에 인접한 기타 장비의 신호에 영향을 미치는 전자기 간섭은 차폐의 필요성을 결정한다. 동일한 케이블의 도체 사이 및 케이블과 주변 환경 사이에 간섭이 있을 수 있다. 간섭에 대한 주요 결합 요소 및 기여자는 인덕턴스이다. 도체 사이의 면적이 너무 크면 신호에 대한 대체 경로가 검색된다. 이러한 의도하지 않은 경로로 인해 대체 신호에 결합된다. 결합 경향을 더 줄이기 위해 의도한 경로 도체 사이의 면적을 줄이는 것은 쌍을 꼬아서 달성된다. 인치 당 최대 4회전이 권장된다. 모터와 드라이브가 서로에 대해 고정되어 있는 시스템과 같은 일부 애플리케이션에는 고정 케이블이 필요하다. 이러한 상황에서 케이블 트레이와 도관은 배선 경로를 지정하는 데 자주 사용된다. 또한 트레이에 운반되는 케이블은 내염성이 매우 뛰어나며 유형 TC 또는 CT로 표시하려면 케이블이 특수 수직 트레이 화염 테스트(UL) 또는 수직 화염 테스트(CSA)를 통과해야 한다. 단열재 및 재킷 하나의 특정 재료는 도체 절연을 제공하고 다른 재료는 재킷을 제공한다. 각각은 케이블 구조에서 다른 역할을 한다. 절연 유형 중 하나는 케이블의 개별 도체 또는 쌍을 전기적으로 절연한다. 이에 비해 재킷은 케이블 ‘외피’를 제공하고 환경, 기계적 충격 및 화학적으로 공격적인 물질로부터 도체, 절연체 및 차폐물을 보호한다. 기존 연결 와이어 및 소비자 제품 전원 코드와 같은 일부 제품에는 주로 물리적 보호 재킷 역할을 하는 단일 절연층이 있다. 그러나 대부분의 산업용 등급 케이블에는 두 가지가 모두 포함되어 있다. 재킷 재료는 움직이는 트랙 내에서 마찰의 주요 원인이며 재료 선택은 시스템의 성공 또는 실패와 같다. 도체를 통해 흐르는 전류에 의해 생성된 열과 주변 온도를 포함한 환경은 절연 재료의 최대 작동 온도를 결정한다. 일반적으로 정격 온도는 절연체로 안전하게 유지할 수 있는 도체의 최대 온도로 해석할 수 있다. 이것은 특히 전원 케이블에 해당된다. 전원 및 제어 배선에 대한 일반적인 공칭 정격은 600V이다. 이 정격은 재킷이 아닌 도체 절연에만 관련된다. 이것은 도체와 다른 도체, 차폐 또는 케이블 외부에 있는 전도성 물체와 같은 인접 부품 사이에 인가할 수 있는 최대 작동 전압이다. 가장 일반적으로 사용되는 절연 재료인 PVC로 만들어진 도체 절연 및 재킷은 연속적으로 유연한 케이블을 포함하여 많은 동작 제어 응용 분야에 적합하다. 공작 기계, 로봇, 픽 앤 플레이스 장비, 자재 취급 장비 및 케이블 트랙이 몇 가지 예이다. EP(Ethylene propylene)는 벤젠 및 각종 오일에 대한 내성은 낮지만 자외선 및 내오존성이 우수하다. PU(Polyurethane) 재킷은 많은 연속 플렉스 케이블에 적용된다. 이 소재는 견고하고 매우 유연하다. PVC보다 온도 범위가 넓고 사용되는 많은 재질이 난연성이며 우수한 자기소화성을 자랑한다. 그러나 단점은 폴리우레탄 재킷과 단열재를 특히 손으로 자르고, 벗기고, 마무리하기가 어렵다는 것이다. 개별 도체용 PVC 절연체를 폴리우레탄 재킷과 결합하면 케이블 제작이 용이하고 우수한 보호 기능을 유지한다. 하이플렉스 및 연속플렉스 케이블 많은 모션 제어 애플리케이션에서 모터, 피드백 장치 또는 둘 다 컨트롤러에 대해 지속적으로 움직인다. 이 배열에는 특수한 고 유연성 케이블이 필요하다. 하이 플렉스(High-flex) 및 연속 플렉스 케이블(continuous flex cables)에는 기계적 충격을 견딜 수 있도록 특별히 선택된 도체, 절연 재료, 차폐 및 재킷이 조합되어 있다. 일반적인 연속 플렉스 케이블에는 유연성이 뛰어난 특수 PVC 절연체와 폴리우레탄 재킷으로 덮인 수많은 극세 구리선으로 구성된 도체가 있을 수 있다. 역 나선형 실드는 편조 실드에 비해 뛰어난 유연성을 제공하며 이는 높고 연속적인 유연성 적용에 중요하다. 그러나 구리 편조 실드는 전자기 노이즈 내성이 향상되었으며 밴드 클램프와 함께 접지를 상당히 단순화한다. 선형 굴곡 케이블은 한 방향으로만 구부릴 수 있으며 꼬이면 안 된다. 이는 양방향 굴곡으로 간주된다. 널리 사용되는 전원 트랙은 한 방향으로만 구부러지는 방식으로 케이블 방향을 유지한다. 장비 제조업체는 케이블을 2축 이상으로 구부려야 하는 경우 케이블 간 커넥터를 결정해야 하는 경우가 많다. 단자 케이블이 적절하게 종단 처리되지 않으면 특히 하이 플렉스 애플리케이션에서 조기에 고장이 날 수 있다. 전기 연결의 종단 관련 손실은 시스템 오류의 가장 일반적인 원인 중 하나이다. 커넥터 접점은 케이블의 와이어 크기에 따라 평가되어야 한다. 기계 압착을 사용할 수 없는 경우 적절한 수공구를 사용하여 도체와 접점 사이에 안정적인 전기 및 기계 연결을 만들어야 한다. 느슨한 크림프(crimp)는 부식되어 전기 연결이 끊어질 수 있다. 또한 과도한 크림핑은 전선 가닥을 절단하는 경향이 있어 도체를 약화시키고 더 높은 전류 밀도로 인해 핫스팟을 생성한다. 일반적으로 ‘Flyable Hardware’ 또는 생명 유지 애플리케이션에서 이러한 함정을 피하기 위해 납땜이 된 단자를 볼 수 있다. 직선 및 직각 커넥터를 사용하여 모터에 케이블을 연결할 수 있다. 더 큰 모터에는 원형 금속 쉘 또는 성형 플라스틱 커넥터가 필요한 경우가 많다. 많은 소형 모터는 더 작은 플라스틱 직사각형 커넥터를 사용하거나 종단되지 않은 와이어를 사용한다. 격벽 커넥터는 인클로저 벽 또는 금속 캐비닛 벽을 통한 인라인 연결에 사용된다. 많은 서보 모터 및 스테퍼 모터 드라이브에는 전원 케이블 종단을 위한 단자대가 있다. 또는 많은 수의 스테퍼 시스템이 IDC 연결과 함께 제공된다. 모션이 커넥터를 손상시키므로 정적 애플리케이션으로 제한되어야 한다. 방출을 줄이고 내성을 높이며 접지 전류로 인한 부상을 방지하려면 적절한 차폐 접지가 필요하다. 표준 관행은 차폐된 모터 케이블을 금속 케이블 클램프로 드라이브의 후면 패널에 접착하는 것을 권장한다. 컨덕터 케이블에는 전원 및 제어 회로 모두에 전류를 전달하는 쌍으로 배열된 단일 도체 또는 여러 개의 절연 도체가 포함될 수 있다. 구리는 전선 및 케이블에 가장 일반적으로 사용되는 재료이다. 알루미늄 또는 강철 도체는 일반적으로 현대 모션 시스템에서 사용되지 않는다. 도체는 단선(구리선 1개)이거나 복합 도체가 여러 개의 작고 단단하고 꼬인 가닥으로 구성된 경우 연선일 수 있다. 주석 도금은 도체 및 개별 전선 가닥의 내식성과 납땜성을 향상시킨다. 은 또는 니켈 도금은 훨씬 더 높은 온도(은의 경우 200°C 또는 450°C)에서 도체를 보호한다. 니켈은 C이지만 거의 사용되지 않는다. 베어 구리는 이러한 온도에서 빠르게 산화되지만 이러한 온도는 일반적으로 스테퍼 및 서보 모터 배선에서 발생하지 않는다. 연속 플렉스 케이블과 같이 최대 유연성이 필요한 경우 많은 수의 가는 가닥을 포함하는 베어 구리 도체로 만든 케이블이 최선의 선택이다. 도체 크기를 선택할 때 위치와 다른 도체의 존재를 고려해야 한다. 주어진 전류에 대해 열 발생 기계의 인클로저 내부에 위치한 도체는 에어컨 시설의 열린 공간에 노출된 도체보다 커야 한다. 사양에 따르면 ‘NEC 75 deg. C’에서 에 있는 ‘Table310-16’에 나와 있는 것처럼 모터를 드라이브에 연결하는 케이블의 도체는 모터의 최대 부하 전류의 125% 이상의 전류용량을 가져야 한다. 차폐 리졸버 케이블 및 기타 피드백 케이블에는 종종 전기 간섭에 대한 여러 수준의 보호 기능이 있다. 첫째, 아날로그 및 디지털 신호의 전자기 복사를 줄이기 위해 개별 쌍이 꼬여 있다. 그런 다음 각 트위스트 페어는 실드 내부에 배치되어 인접 페어 간의 누화를 줄인다. EMI(전자기 간섭)를 완화하기 위해 때때로 페라이트 비드, 클램프 스타일의 페라이트 코어 및 커패시터가 필요하다. 최종 철 유형 전체 차폐는 전자기 및 정전기 간섭에 대한 최고 수준의 보호를 제공하고 중요한 응용 분야에서 방출을 줄일 수 있다. 여기에는 일반적으로 항공, 방위 또는 생명 유지가 포함되지만 산업 장비에 대한 EMC 지침 준수를 유지하기 위해 현대 산업 장비에도 나타나고 있다. EMI 노이즈의 결합 요인과 노이즈를 억제하는 데 필요한 차폐 유형을 이해해야 한다. 유도 결합 노이즈에 포일 실드를 사용하는 것은 기껏해야 비효율적이며 부적절하게 접지된 실드가 라디에이터가 되는 경우 상황을 악화시킬 수 있다. 방사 노이즈는 때때로 ½ 파장 이상 떨어진 다른 장치에만 영향을 미치므로 방사에 대한 EMC 규정은 30MHz에서 시작된다. 실제로 30MHz의 고출력 신호는 파장의 1/20 또는 0.5m 안테나가 있는 경우 5m 이상 떨어진 모든 장치에서 수신된다. 유일한 문제는 방해의 정도이다. 다른 경우에는 이 주파수의 자기파가 훨씬 더 적은 위치에서 유도 결합될 수 있다. 30MHz 전압 신호로 특성화할 수는 없지만 여전히 문제이다. 이러한 유형의 노이즈를 억제하려면 최소 80~95% 범위의 편조 차폐 또는 꼬인 와이어 차폐를 사용해야 한다. 모든 커넥터는 금속이어야 한다. 모범 사례는 소스와 수신기를 차폐하고 결합 방법을 비활성화 하는 것이다. 커넥터 커넥터의 선택은 스타일 케이블의 선택과 전반적인 신뢰성 모두에 영향을 미친다. 각 연결에 대해 신뢰성이 감소한다. 커넥터 수를 최소화하면서 케이블 수명을 최대화하고 서비스 가능성 및 비용을 높이는 것이 변수이다. 굽힘 반경 요구 사항이 좁은 시스템에서는 플랫 케이블이 선택된다. 대부분의 모터 커넥터는 이러한 케이블용 커넥터를 수용하지 않기 때문에 절충안이 필요하다. 케이블은 모터용 커넥터 내에서 종단되거나 케이블 간 커넥터가 제공되어야 한다. 절단 응용 분야 및 전자 조립 장비에 일반적으로 사용되는 갠트리 시스템을 사용하면 X 및 Y의 두 동작 축에 일반적으로 이동 트랙을 가로지르는 상호 연결 케이블 조립이 필요하다. 좁은 곡률 반경은 데이터, 전력, 모터 전류 및 기계의 움직이는 헤드에 대한 DC 버스 전압을 전달하는 특수 평면 커넥터가 필요하다. 신호는 일반적으로 커넥터 비용과 신뢰성 감소의 비용으로 교체 걱정을 덜어주는 커넥터에 의해 헤드에서 분리된다. 인증 및 마킹 지역 표준에 의해 이미 인증된 케이블을 구입하면 전체 시스템을 인증할 때 훨씬 원활한 프로세스를 보장할 수 있다. NEC(National Electrical Code)는 다양한 유형의 표준화된 케이블에 대한 주요 참조 소스이다. 표에는 도체 크기, 전압, 온도 및 절연 정보와 목록 표시를 나타내는 명확한 인쇄가 있어야 한다. 미국에서 판매되는 케이블에 적용되는 마크는 UL(Underwriters' Laboratories Incorporated), CSA(Canadian Standard Association) 또는 둘 다이다. 유럽용 케이블은 CE 저전압 지침 및 EMC 규정을 준수해야 하며 그에 따라 표시되어야 한다. CISPR 11과 같은 EMI 준수를 위한 CE 테스트에는 1GHz까지의 방출 제어가 필요하다. 이를 위해서는 편조 실드와 360도 커버리지가 있는 케이블이 필요하다. 케이블 재킷에 인쇄된 UL 마크는 UL이 케이블을 평가하고 승인했음을 나타낸다. 그러나 UL은 사용자의 안전을 보장하기 위해 케이블만 평가한다. 스트립, 종단 및 납땜의 용이성과 같은 다양한 케이블 품질 또는 여러 도체 간의 혼선은 테스트 조직에 관심이 없다. 자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)

2022-12-03

Renishaw 엔코더, DD모터 성능 개선 주도

Renishaw Haozhi, 레니쇼 엔코더로 경쟁력 크게 높여 중국 기업인 Haozhi Mechanical and Electrical(이하 Haozhi)은 공작기계와 로봇 분야의 직접 구동 기술 부문 선두 기업이다. 직접 구동(DD) 모터는 기어, 풀리, 체인, 벨트 등의 기계식 감속 요소를 사용하지 않고 대상으로 직접 전력을 전달하는 전기 모터이다. 최근 몇 년 동안 리니어 모터와 로터리 테이블에 대한 직접 구동모터 기술이 상당히 발전했다. 공작 기계의 전반적인 성능이 대폭 개선됨에 따라 가공 품질과 속도, 효율성도 향상되었다. 제조업체들은 이러한 이점을 활용하여 가공 시간을 줄이고 비용을 절감할 수 있다. Haozhi는 Renishaw의 내장형 고성능 옵티컬 엔코더 시스템으로 직접 구동 로터리(DDR) 테이블과 리니어 모터를 구축해 Haozhi 제품의 경쟁력을 크게 높였다. Haozhi의 부사장 Qun Lei는 공작 기계 업계에서 Haozhi가 맡은 역할을 다음과 같이 설명한다. “처음에 Haozhi는 공작 기계 모터 스핀들을 주로 생산했는데, 수년간의 노력 끝에 전 세계 선두 기업으로 입지를 다질 수 있었다. Haozhi는 최대 400 krpm의 속도로 작동하며 회전 정확도가 6 µm인 세계에서 가장 빠른 모터 스핀들을 포함하여 다양한 업계에 맞는 광범위한 스핀들 제품을 출시했다. 또한 공작 기계 로터리 테이블과 리니어 모터도 제조하며 급속도로 성장하고 있는 로봇 시장을 위한 기어 감속기와 로봇 관절 제품도 개발하고 있다. 주로 동남아시아와 몇몇 유럽 국가에 제품을 수출하고 있다.” 과제 DDR 모터에 대한 일반적인 시장 추세로는 보다 정확한 위치 선정, 안정성 증가, 유지보수 비용 감소 등이 있다. 최근에는 자동화 제조 및 단순 가공 분야에서도 직접 구동 로터리(DDR) 테이블 기술을 사용하기 시작했다. 일반적으로 로터리 테이블은 휴대전화와 태블릿 케이스 가공　같은 정밀 단순 제조를 위한 CNC 머시닝 센터에서 네 번째　또는 다섯 번째 축으로 배포된다. 로터리 테이블이 자동화된　생산 라인을 위한 테이블 모듈 인덱싱에 사용되는 경우도 있다. 소비자들이 일상적으로 사용하는 다수의 제품이 매끄러운 표면을 만들기 위해 정확도와 모션 제어 성능이 뛰어난 로터리 테이블에서 정밀 가공된 부품을 필요로 한다. 로터리 테이블과 같은 모션 제어 시스템의 오차 할당은 기계 구조, 개별 기계 부품, 전송 메커니즘, 위치 엔코더와 관련된 요소의 영향을 받는다. 기계적 공진은 전통적인 웜 기어 기반 로터리 테이블의 명령 응답이나 동강성을 극대화하려는 설계자들이 직면하게 되는 가장 흔한 문제 중 하나이다. 그 중 한 가지 우려 사항으로는 부하와 모터 간의 관성 불일치가 있다. DDR 테이블을 통해 전통적인 로터리 테이블과 관련된 많은 기계적 공진을 제거하고 해당 분야의 속도 및 토크 요구 사항에 최적화된 고성능 시스템을 설계할 수 있다. Haozhi에게 엔코더는 모션 제어 제품에서 가장 중요한 부품 중 하나이다. 로터리 모터에 대한 주요 엔코더 오류로는 보간 오차(SDE), 지터, 설치 오차(스케일 편심 포함), 스케일 눈금 오차, 모터와 엔코더 로터리 스케일 간의 커플링 규정 준수 등이 있다. 솔루션 Renishaw는 공작 기계 부문에서 큰 영향력을 보유하고 있으며 지난 몇 년간 Haozhi와 긴밀하게 협력하고 있다. Haozhi는 RESA 링을 채용한 RESOLUTE 앱솔루트 옵티컬 엔코더 시리즈를 새로운 로터리 테이블 제품군으로 선택했다. Lei는 “Haozhi는 Renishaw의 첨단 계측 제품을 10여 년 전에 처음 접했으며. 그 후로 긴밀한 협력 관계를 유지해 오고 있다. 로터리 테이블의 개발을 시작하기로 결정했을 때 조금의 망설임도 없이 Renishaw의 옵티컬 엔코더를 선택했는데, Renishaw의 제품을 그 무엇보다 신뢰하기 때문이다. 지난날의 경험으로 미루어 보았을 때 Renishaw의 옵티컬 엔코더는 설치가 쉽고 엔지니어들이 빠르게 조립할 수 있다. 또한 Renishaw의 전문가팀이 뛰어난 판매 후 서비스를 제공하며 우리가 이 프로젝트의 초기 개발 단계에서 직면한 모든 문제의 해결을 도와주었다”고 말했다. RESOLUTE RESA 시스템은 동급 최고의 성능을 제공하며 미세 30 µm 피치 스케일을 보유한 앱솔루트 링, 단 ±40 nm의 SDE, 10 nm RMS 미만의 지터가 특징이다. 두 가지 유형의 RESA 링을 이용할 수 있으며 설치 방법은 각기 다르다. 한 가지 유형은 특허 받은 Renishaw의 테이퍼 마운트 설계로 공차가 굉장히 작은 가공 부품에 대한 요구를 줄여 주고 편심을 제거하며, 다른 유형은 로우 프로파일 링 설계로 회전 관성을 줄여 준다. Renishaw의 비접촉식 옵티컬 엔코더는 기존의 폐쇄형 엔코더에서 피할 수 없는 문제인 백래시, 샤프트 와인드업(비틀림) 및 기타 역학적 이력 현상 오차를 제거한다. RESOLUTE 엔코더는 또한 광범위한 업계 표준 직렬 통신 프로토콜을 지원하므로 고객의 컨트롤러와 직접 통신이 가능하며 실시간 위치 데이터를 제공한다. Lei는 “호환성과 제품의 다양성 측면에서 보면 Renishaw의 엔코더가 확실히 더 뛰어나다. 많은 컨트롤러 제조업체가 여러 종류의 통신 프로토콜을 제공한다. RESOLUTE 앱솔루트 옵티컬 엔코더는 FANUC, Mitsubishi, Siemens DRIVE-CLiQ, BiSS를 포함해 주요 산업 통신 프로토콜을 대부분 지원한다. 또한 엔코더 판독 헤드와 링 치수가 직렬 프로토콜 출력 옵션과 관계없이 항상 동일하기 때문에 구조 설계를 수정할 필요가 없다”고 말했다. 또한 Haozhi는 Renishaw의 전통적인 RG2 및 RG4 엔코더 제품군을 사용해 컴퓨터, 통신, 소비자 전자기기(3C)를 포함한 까다로운 업계의 요구를 완벽하게 충족할 수 있는 리니어 모터도 개발했다. Lei는 Haozhi 리니어 및 로터리 스테이지의 품질 제어 테스트에서 Renishaw 레이저 캘리브레이션 제품의 역할을 다음과 같이 강조한다. “품질 제어를 잘 수행하기 위해 Haozhi는 Renishaw XL-80 레이저 간섭계와 XR20-W 로터리 축 캘리브레이터를 사용하여 모든 리니어 모터와 로터리 테이블을 테스트한다. 테스트 장비의 정확도, 용이한 사용, 안정성이 결정적 요인이었다.” 결과 Haozhi는 Renishaw의 RESOLUTE 앱솔루트 옵티컬 엔코더 시스템을 CNC 로터리 테이블에 통합하여 자사 제품의 정확도와 안정성, 우수한 모션 제어 성능을 한층 더 확고히 했다. Haozhi의 로터리 테이블은 ±10 arc sec의 위치 정확도와 ±2arc sec의 반복 가능한 정밀도, 그리고 폭넓은 토크와 속도를 제공한다. Haozhi의 리니어 모터는 양방향 위치 정확도가 ±2 µm에 달하지만 연속 추력 범위는 0.2–4.0 kN, 최고 추력범위는 1–12 kN이다. 또한 RESOLUTE 엔코더는 방진/방수 등급이 높아 Haozhi 가 경우에 따라 IP68 등급의 로터리 테이블을 구축할 수 있었다. Renishaw는 Haozhi와의 장기적인 협력을 통해 DD 모터 기술의 선두주자 자리를 유지하는 데 도움이 되는 보다 통합된 제품 개발 전략을 구현해 오고 있다. 자료제공: Renishaw(www.renishaw.co.kr)

2022-12-03

로드리스 전동 액추에이터 수명·성능 극대화 위한 10가지 팁

Tolomatic 전동 로드리스(rodless) 액추에이터는 하중을 지지하고 운반할 수 있다는 점에서 로드형(rod-style) 액추에이터에 비해 특별한 이점이 있다. 이것은 하중 지지를 위한 베어링 및 안내 요소의 필요성이 없게 되므로 비용과 설계 시간을 줄인다. 로드형 액추에이터와는 달리 로드리스 액추에이터의 스트로크는 본체 길이 내에 완전히 있으므로 로드형 액추에이터보다 작업 공간이 더 작다. 또한 전동 로드리스 액추에이터는 스크류 또는 벨트 구동이 가능하며 각 스타일은 응용 분야에 따라 고유 장점이 있다. 그러나 전동 로드리스 액추에이터의 사이징에는 단순히 힘과 스트로크를 계산하는 것 이상이 필요하다. 다음은 로드리스 스타일 액추에이터를 사용하는 애플리케이션에서 최적의 성능, 신뢰성 및 효율성을 달성하기 위한 상위 10가지 팁을 소개한다. 팁 1. 하중을 정확하게 계산하자 애플리케이션을 위한 로드리스 액추에이터를 설계할 때 해결해야 하는 몇 가지 하중과 힘이 있다. 로드리스 액추에이터가 의도한 대로 작동하려면 모터, 선택한 스크류 또는 벨트, 가이드/베어링 시스템, 기계적 감속 장치(기어박스, 타이밍 벨트)를 세 축 모두의 예상 부하에 맞추는 것이 중요하다. 애플리케이션의 정확한 정적 및 동적 부하를 파악하고 이를 액추에이터의 최대 및 연속 부하 용량과 일치시키면 애플리케이션이 비용 효율적이고 신뢰할 수 있다. 참조 팁 2. 오버사이징 하지 말자 불확실성이 엔지니어링 분석에 영향을 미치면 액추에이터의 용량을 과도하게 하려는 경향이 있다. 이것은 유체 동력 애플리케이션으로부터의 습관적인 접근 방식이다. 엔지니어는 부하에 대한 부정확한 지식, 가용 공압의 변동, 액추에이터 스트로크 끝에서 가속 및 감속 동작을 완전히 제어할 수 없는 것을 보상하기 위해 유체 동력 응용 분야에 2:1 안전 계수를 구축하는 것이 일반적이다. 오버사이징은 일반적으로 생산 증가 또는 애플리케이션 변경으로 인해 미래에 더 높은 부하를 예상하여 수행된다. 그러나 이러한 대형화는 값비싼 실수가 될 수 있다. 액추에이터의 용량을 애플리케이션의 매개변수와 적절하게 일치시켜 과대한 크기를 피해야한다. 액추에이터 제조업체에서 제공하는 사이징 프로그램, 그래프 및 공식을 통해 보다 더 쉽고 정확하게 이 작업을 수행할 수 있다. 참조 팁 3. 모멘트를 계산하자 로드가 없는 액추에이터는 로드를 밀거나 당기는 로드 스타일 액추에이터와 달리 하중을 전달한다. 이러한 차이로 인해 하중의 위치, 크기 및 무게를 기반으로 액추에이터의 하중 지지 플랫폼의 베어링 시스템에 가해지는 다양한 모멘트(토크)를 계산해야 한다. 중심에서 벗어난 또는 측면 하중의 경우 전달되는 하중의 질량 중심에서 액추에이터의 하중 전달 플랫폼 중심까지의 거리를 결정하고 결과 굽힘 모멘트를 계산한다. 예를 들어, 하중의 질량 중심에서 실린더의 하중 전달 장치 중심까지의 거리가 3 in 하중이 30 lb.인 경우 My(Y축의 피치 모멘트) = 3 in X 30 lb = 90 in-lb이다. Mx 축(roll)과 Mz 축(yaw)에 대해 유사한 모멘트를 계산해야 한다. 하중이 하중 전달 장치의 중심에서 멀어질수록 결과 모멘트가 커진다. 게시된 굽힘 모멘트는 일반적으로 최대값이며 한 가지 유형의 모멘트만 적용된다고 가정한다. 또한 스트로크 끝 가속 또는 감속에 의해 동적 굽힘 모멘트가 생성된다. 일부 애플리케이션에는 위에서 설명한 모멘트 중 2개 이상을 포함하는 복합 모멘트가 포함되어 있다. 액추에이터가 결합된 모멘트 힘을 처리할 수 있는지 여부를 결정하기 위해 각각을 평가하고 계산해야 한다. 팁 4. 속도 제한 및 관성 효과를 고려하자 스크류 구동 액추에이터에서는 더 높은 속도에서 스크류 whip을 방지하기 위해 중요한 속도 제한을 인식한다. 스크류가 임계 속도에 도달하면 과 같이 진동 또는 ‘whip’ 하기 시작한다. 임계 속도 제한은 스크류 길이와 직경에 따라 다르다. 스트로크 길이가 증가함에 따라 스크류 지지 베어링 사이의 거리가 증가하여 특정 속도 이상의 스크류 진동이 발생한다. 이 진동은 지지 베어링을 조기에 마모시키고 진동, 소음 및 치명적인 고장을 유발할 수 있다. 벨트 구동 액추에이터에서는 속도 및 하중과 관련된 큰 관성으로 인해 움직이기 어려울 수 있다. 이 관성은 감속할 때 드라이브 모터에 과도한 역기전력을 발생시켜 드라이브 전자 장치, 시스템 안정성 및 전체 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 또한 위치 지정 품질이 저하될 수 있다. 애플리케이션에서 관성을 계산한 다음 관성 부하를 처리할 수 있도록 액추에이터 및 구동 모터 또는 기어 배열의 크기를 조정한다. 팁 5. 듀티 사이클을 염두에 두자 듀티 사이클은 작동 시간과 전동 액추에이터의 휴지 시간의 비율로 정의되며 백분율로 표시된다. 2초 동안 움직이고 2초 동안 정지하는 액추에이터의 듀티 사이클은 50%이다. 작동에 대한 듀티 사이클의 영향을 과소평가하면 과열, 더 빠른 마모 및 조기 부품 고장으로 이어질 수 있다. 듀티 사이클의 영향을 과대평가하면 대형화로 인해 초기 비용이 높아질 수 있다. 지나치게 보수적인 듀티 사이클 추정치는 종종 애플리케이션에 대한 불완전한 이해에서 비롯된다. 이것은 듀티 사이클, 이동 시간 및 속도를 고려할 수 있는 사이징 소프트웨어 프로그램을 사용하는 또 다른 이점이다. 참조 팁 6. 장착 옵션을 신중하게 선택하자 긴 스트로크의 로드리스 액추에이터의 편향을 방지하려면 장착 강성을 보장하기 위해 지지점의 수와 위치를 고려하는 것이 중요하다. 장착면은 직선이어야 한다. 전체 액추에이터 ‘엔벨로프(envelope)’, 즉 액추에이터와 모터의 길이와 너비를 고려하는 것도 중요하다. 전체 엔벨로프를 고려하지 않으면 사용할 수 있는 모터의 크기가 제한되거나 애플리케이션 레이아웃을 변경해야 할 수 있다. 전체 액추에이터 길이와 실제 작동 스트로크 길이는 내부 기능을 수용하는 데 필요한 ‘dead length’로 인해 다를 수 있다. 팁 7. 구동 시스템 로드리스 액추에이터는 인라인 또는 역병렬(RP, reverse-paralle) 모터 장착/구동 시스템을 사용할 수 있다. 역병렬 시스템은 더 콤팩트한 엔벨로프를 제공하는 반면에, 기어 또는 벨트 감소 드라이브의 추가로 인해 전체 시스템 효율성을 감소시킨다. 인라인 모터 장착은 가장 효율적인 드라이브 시스템과 최고의 동적 성능을 제공한다. 어떤 경우에는 성능 특성이 가장 일치하지 않을 수 있는 역병렬 드라이브를 지정하는 것보다 인라인 모터 드라이브를 위한 공간을 만들기 위해 애플리케이션을 변경하는 것이 더 좋다. 팁 8. 수명 기대치를 기능과 일치시키자 스크류 또는 벨트 및 베어링 수명은 하중, 굽힘 모멘트, 속도, 듀티 사이클 및 환경에 크게 영향을 받는다. 모든 액추에이터의 유효 수명은 대부분의 기계적 작업을 수행하거나 가장 많은 부하를 전달하는 구성 요소의 내구성에 따라 다르다. 리드 스크류 드라이브가 대표적인 예이다. 리드 스크류의 서비스 수명은 어떤 이유로든 스크류가 고장 나기 전에 스크류가 달성한 실제 수명으로 정의할 수 있다. 고장의 가능한 원인 중에는 피로, 과도한 마모, 부식, 오염, 불충분한 구조적 강도 또는 응용 분야에서 요구하는 기능의 손실이 있다. 일반적으로 기대 수명은 동적 하중과 밀접한 관련이 있다. 액추에이터의 최대 수명을 달성하려면 아래 와 같이 총 부하가 액추에이터의 설계 매개변수 내에서 유지되어야 한다. 팁 9. 정확도 요구사항을 확인하자 액추에이터 시스템의 정밀도가 선형 모션의 정확도, 백래시, 직진도 및 평탄도에 대한 애플리케이션 요구 사항을 충족하거나 초과하는지 확인한다. 스크류 구동 액추에이터에서 스크류 선택은 정확도, 백래시 및 반복성에 매우 중요하다. 진직도와 평탄도를 최적화하려면 정밀 프로파일 베어링이 있는 캐리어 시스템을 선택한다. 벨트 구동 액추에이터에서 정확도는 일반적으로 ±.010”/ft로 제한된다. 벨트 드라이브의 기계 시스템 정확도는 벨트 톱니와 스프로킷(도르래) 홈 사이의 맞춤에 의해 영향을 받는다. 이 맞춤은 제조 정확도와 적절한 벨트 장력, 벨트 스트레치 및 시스템 강성(특히 하중 하에서 벨트 톱니가 휘어진 정도)의 기능이다. 벨트 구동 반복성은 일반적으로 ±.001" 미만이며 시간이 지남에 따라 벨트가 늘어나는 영향을 받을 수도 있다. 팁 10. 환경적 요인을 살피자 액추에이터가 작동할 환경은 성능, 내구성 및 유지보수에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 고온은 씰, 윤활, 벨트, 베어링 및 모터 수명에 영향을 줄 수 있다. 극도로 낮은 온도도 성능, 윤활 및 마모에 영향을 줄 수 있다. 액추에이터에 적절한 IP(침수 보호) 등급이 없으면 기름, 물, 공격적인 청소 절차 또는 연마 입자로 인한 오염으로 인해 씰이 파손될 수 있다. IP 등급은 액추에이터가 움직이지 않을 때 정적 조건만 다루므로 동적 조건(진동, 열, 추위, 움직임)도 고려해야 한다. 자료제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)

2022-12-03

크로스 롤러 베어링,산업용 로봇시스템에 많은 이점 제공

IKO 현대 로봇과 자동화 기계가 그 어느 때보다 많은 작업을 수행함에 따라 보다 복잡한 동작과 효과적인 하중 처리가 요구된다. 예를 들어 많은 로봇과 협동로봇은 관절 암을 통합하여 무거운 물체를 이동, 위치 지정 또는 회전하거나 용접 및 조립과 같은 일상적인 작업을 수행한다. 또한 로봇 기능 요구사항이 증가함에 따라 설계 크기가 지속적으로 축소된다. 이 모든 것을 가능하게 하는 ‘크로스롤러 베어링(Crossed Roller Bearings)’은 정확하고 반복 가능한 동작을 제공하며 복잡한 작업을 수행하기 위해 축방향, 반경방향 및 모멘트 하중을 동시에 처리한다. 또한 까다로워진 오늘날의 로봇과 협동로봇(cobots)의 적용에도 잘 맞는 솔루션이다. ‘크로스롤러 베어링’ 이란 크로스롤러 베어링은 롤러가 내륜과 외륜 사이에서 서로 직각으로 교대로 교차하는 독특한 설계가 특징이다. 이 배열은 베어링이 모든 방향에서 동시에 무겁거나 복잡한 하중을 처리할 수 있도록 궤도와의 더 큰 접촉을 생성한다. 롤러의 직교 배열은 공간이 제한된 설계를 위해 크로스 롤러 베어링의 콤팩트한 크기를 제공한다. 크로스 롤러 베어링은 로봇 시스템에 필수적일 뿐만 아니라 공작 기계 및 의료 장비와 같이 회전 속도가 적당한 기계에 사용하는 데에도 적합하다. 다음은 로봇 시스템에 제공되는 크로스롤러 베어링의 몇 가지 이점이다. • 회전 정확도 향상 롤러가 궤도면과 만나는 큰 접촉 영역은 크로스롤러 베어링이 하중 하에서 더 적은 처짐을 나타내고 단일 접촉점만을 제공하는 다른 베어링 유형에 비해 매우 작은 탄성 변형을 나타내도록 한다. 결과적으로 더 큰 강성과 강성을 달성하고 함께 사용되는 크로스 롤러 베어링은 더 큰 회전 정확도를 제공한다. 크로스롤러 베어링은 또한 우수한 회전 정확도를 제공하기 위해 예압 및 고정밀 등급으로 제조할 수 있다. • 탁월한 하중 처리 높은 정확도 외에도 궤도면과의 롤러 접촉이 클수록 크로스 롤러 베어링은 더 큰 하중 처리 능력을 제공한다. 롤러가 내륜과 외륜 사이에서 교대로 교차되고 서로 직각으로 배치되기 때문에 이러한 베어링은 동시에 모든 방향에서 레이디얼, 스러스트 및 모멘트 하중을 받을 수 있다. 즉 크로스 롤러 베어링은 로봇의 복잡한 동작 요구사항을 지원할 수 있는 것 이상이다. • 공간 절약 롤러의 직교 배열은 크로스 롤러 베어링이 다른 유형의 베어링보다 적은 공간을 차지하도록 한다. 콤팩트한 크기는 계속 줄어들고 있는 로봇 설계, 특히 손목과 팔 동작을 수행하는 메커니즘에 매우 중요하다. • 간편한 설치 및 취급 특정 크로스롤러 베어링은 두 링에 장착구멍이 있는 견고한 내부 및 외부 링 구조로 되어 있어 장착이 간편하고 특수 하우징이나 고정 플레이트가 필요하지 않으며 핸들링도 쉽다. 예를 들어 IKO의 표준 크로스롤러 베어링의 외륜은 운송 또는 장착 중 분리를 방지하기 위해 함께 볼트로 고정된 두 개의 분할 조각으로 만들어진다. • 효율성 많은 크로스롤러 베어링은 플레인 베어링보다 낮은 회전 토크를 나타내며 정적 토크와 동적 또는 운동 토크 간의 차이는 최소화된다. 결과적으로 크로스롤러 베어링은 기계가 더 적은 전력을 소비하고 작동 온도 상승을 제한하여 전반적인 효율성을 높이는 데 도움이 될 수 있다. • 긴 수명과 조용한 작동 내장형 케이지 또는 분리기가 있는 크로스롤러 베어링은 마찰 계수가 작아 마모를 줄여 수명을 연장하고 소음을 최소화한다. 크로스롤러 베어링의 고려사항 크로스롤러 베어링은 다양한 하중을 고정밀도로 처리할 뿐만 아니라 다용도성으로 인해 로봇 공학에 매력적인 옵션이 된다. 로봇 동작이 더욱 복잡해지고 메커니즘이 계속 축소됨에 따라 IKO International과 같은 베어링 제조업체는 이러한 문제를 해결하기 위해 크로스롤러 베어링에 다양한 설계 요소를 통합했다. 로봇 애플리케이션을 위한 크로스롤러 베어링을 지정할 때 IKO의 다양한 라인업 제품을 예로 들면 다음과 같은 몇 가지 설계요소를 찾아볼 수 있다. • 추가 강성이 필요할 때 내부 링과 외부 링을 결합하여 하나의 솔리드 피스를 형성하는 크로스롤러 베어링은 더 높은 강성을 제공한다. 또한 장착 구멍이 있는 일체형 요소는 하우징 구조의 영향을 덜 받기 때문에 훨씬 더 높은 강성과 정확도를 제공한다. • 부드러운 회전이 필요할 때 원통형 롤러 사이의 리테이너는 부드러운 회전을 촉진하고 구동력을 줄여준다. 리테이너가 있는 크로스롤러 베어링은 상대적으로 높은 회전 속도가 필요한 응용 분야에 특히 바람직하다. • 디자인의 축소와 경량화가 필요할 때 공간이 부족한 경우 내경에 비해 외경이 작고 폭이 좁은 슬림형 베어링을 찾아야 한다. 사실 특정 크로스롤러 베어링은 매우 얇고 가볍다. 예를 들어 IKO의 CRBT Super Slim Type 크로스롤러 베어링은 너비 5mm(기존 크로스롤러 베어링보다 60% 더 얇음), 단면 높이 5.5mm, 질량 비 0.11로 제공된다. 또한 일체형 구조로 어셈블리의 부품 수를 줄여 설계 소형화 및 경량화에 기여한다. • 보다 쉬운 장착을 위해 많은 유형의 크로스롤러 베어링에는 내부 및 외부 링에 장착 구멍이 있다. 이 장착 구멍은 직접 고정 및 결합을 쉽게 하고 장착 오류를 제거하는 데 도움이 된다. IKO는 간단한 설치를 위해 내륜과 외륜을 결합한 단일 구조의 장착 구멍이 특징인 고강성 및 초슬림형 크로스롤러 베어링(각각 CRBVF 시리즈 및 CRBTF 시리즈)을 제공한다. 다양한 시스템의 요구사항 충족 로봇 시스템 설계자는 더 많은 기능, 부하 기능 및 복잡하지만 정확한 동작에 대한 요구사항을 충족시켜야 한다. 크로스롤러 베어링은 무거운 하중을 정밀하게 배치하도록 구성되며 특정 설계 요소는 까다로운 응용 분야에 대해 훨씬 더 높은 강성, 정확성 및 장착 용이성을 제공할 수 있다. IKO의 크로스롤러 베어링 라인업은 다양한 크기와 디자인으로 제공되어 다양한 로봇 시스템의 성능을 최적화할 수 있는 광범위한 이점을 제공한다. 자료제공 : IKO(www.ikont.com)

2022-12-03

다양한 자동화 요구에 대응하는 컨트롤러와 드라이브 기술발전 현황

코로나바이러스의 출현으로 많은 산업 분야에서 자동화에 대한 관심이 급증했다. 자동화에 대한 수요가 증가함에 따라 모터, 드라이브 및 컨트롤러와 같은 자동화 부품 공급업체의 수요도 증가하고 있다. 오늘날의 컨트롤러와 드라이브는 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있는 보다 많은 내장된 기능으로서 그 어느 때보다 강력하고 더 나은 성능을 제공하고 있다. 컨트롤러 및 드라이브의 성능 향상은 특히 마이크로칩과 같은 전자 회로의 발전에 크게 의존한다. 이러한 장치는 자동화 및 모션 제어의 핵심이며 2021년 코로나바이러스의 결과로 인한 마이크로칩 부족은 많은 산업과 제품에 영향을 미쳤다. 그리고 2023년까지 공급망 문제가 계속될 것이라는 전망과 함께 일부 모션 제어 공급업체는 고객에게 경우에 따라 최대 6~12개월의 긴 리드 타임을 계획하도록 사전 안내를 하고 있다. 정밀 모션 제어 공급업체인 Nippon Pulse는 칩 시장 재고 및 가격이 어디로 향하는지에 대해 예측할 수 없다고 보고 있다. 회사는 클라우드 서비스(Microsoft AZURE, Amazon Web Services 및 Google 뿐만 아니라 IBM 및 Apple)의 지속적인 확장과 수요로 인해 고성능 및 고용량 CPU 팹에 대한 엄청난 수요가 발생할 것이라고 보고하고 있다. TI (Texas Instruments)는 시장 수요를 충족하기 위해 새로운 용량에 막대한 투자를 하고 있으며 올해 보다 높은 생산량을 계획하고 있다고 밝혔다. Advanced Motion Controls의 고객 대응 정책은 사용할 수 없거나 공급이 부족한 교체 구성 요소를 식별하고 통합하는 것이다. 2021년이 칩 부족의 해로 기록됨에 따라 업계에서는 2022년에도 여전히 그 영향을 받을 것으로 예상한다. 컨트롤러와 드라이브에 대한 높은 수요는 특히 로봇 분야를 비롯한 여러 응용 분야에서 계속되고 있다. 예를 들어, TI는 물류 로봇, 창고 자동화 및 운송의 급속한 성장과 함께 드라이브, PLC 및 제어 솔루션에 대한 높은 수요를 보고 있다. 고객 맞춤형 제품을 위해 유연한 제조가 필요하므로 다양한 모션 컨트롤러가 필요하다. 코로나바이러스가 발생하여 물류 및 자동화 구축 필요성으로 로봇 및 모터 드라이브에 대한 수요가 증가했다. 공장 자동화에서 협동 로봇과 무인 운반 차량은 점점 더 스마트해지고 보다 넓게 사용되어 공장 현장의 효율성을 높인다. 마찬가지로, Advanced Motion Controls는 서보 드라이브의 새로운 혁신은 모바일 로봇과 전기 모빌리티가 주도할 것으로 보고 있다. 여기에는 창고 및 공장 자동화는 물론 식료품점, 쇼핑몰, 병원과 같은 사람 중심 산업의 자동화 등이 있다. 많은 산업 분야에서 병렬 드라이브는 특히 빅 데이터와 IoT 및 인더스트리 4.0과의 관계이다. TI의 관점에서 인더스트리 4.0은 제품을 더욱 스마트하게 만들고 특히 연결성을 중요하게 고려한다. 데이터는 스마트 공장, 기계 상태, 모니터링 등의 성공적인 운영에 매우 중요하며, 크기와 효율성을 유지하고 최적화하는 동시에 유선 및 무선 모두에서 높은 데이터 처리량이 필요하다. 또한 이러한 시스템의 임베디드 프로세서는 전체 시스템 효율성을 위해 고속 및 저전력으로 데이터를 처리할 수 있어야 한다. IoT 및 인더스트리 4.0으로 인해 보다 더 많은 데이터에 대한 수요가 발생함에 따라 데이터 전송을 향상하는 기능과 특징이 중요하다. 예를 들어, TI 제품은 실시간 기능과 빠른 응답 시간이 더욱 중요해짐에 따라 기능 안전 및 보안 통신에 대한 요구가 높아지고 있다. 데이터에 대한 수요가 증가함에 따라 데이터 속도도 증가하고 있다. 대부분의 산업 애플리케이션에서 이더넷 및 산업 프로토콜을 사용한다. 회사는 최고의 상호 운용성을 달성하기 위해 산업용 실시간 통신을 정의하고 표준화하기 위해 노력하고 있으며, 낮은 결정적 대기시간 (deterministic latency)을 유지하면서 더 많은 데이터 처리량을 목표로 한다. Advanced Motion Controls에서는 이중 범용 피드백(Dual Universal Feedback) 개념을 연구하고 있다. 이것은 이중 피드백과 범용 피드백의 조합이다. 간단히 말해서 모든 유형의 두 인코더에서 데이터를 처리할 수 있는 기능을 제공한다. 이중 피드백은 서보 드라이브가 두 개의 인코더를 수용할 수 있음을 의미한다. 이는 이중 루프 제어 구성에서 백래시가 있는 기계의 정확도를 높이는 데 사용된다. 백래시로 인해 부하가 변경되는 경우에도 부드럽고 제어된 속도를 보장하기 위해 하나의 인코더가 모터에 구성된다. 다른 인코더는 부하에 배치되어 백래시 또는 비강성 전송 구성 요소가 있는 경우, 부하에서 정확한 위치 지정을 보장해준다. 주요 이점은 이중 범용 피드백이 엔지니어와 시스템 설계자가 시스템에서 피드백을 설정하는 방법에 더 많은 유연성을 제공한다는 점이다. 자료 제공: TI(www.ti.com)

2022-11-14

댐퍼 응용분야에 맞춤 설계된 스테퍼 모터

Portescap 초소형 모터는 HVAC 시스템의 댐퍼를 제어하는 용도 등 다양한 목적으로 쓰인다. 댐퍼는 환풍용 배관내의 공기 흐름을 제어하는 간단한 메커니즘이다. 수동 댐퍼는 환풍용 배관 옆에 달린 손잡이를 돌려 조정하며 자동 댐퍼는 온도계 또는 건물 자동화 시스템에 의해 제어되는 전동 또는 공압 모터로 공기 흐름을 자동으로 제어한다. 외장 전기 댐퍼 액추에이터를 설계할 때 고려해야 할 중요한 초소형 모터 설계요소가 있다. 전기 댐퍼 회전식 액추에이터는 다음과 같이 세 가지 유형으로 분류된다. 1. 스프링 리턴 댐퍼는 스프링의 도움을 받아 요구되는 위치(닫음/열림)로 복귀한다. 2. 비스프링 리턴 전력 공급이 끊어지면 현재 위치를 유지한다. 3. 전기 안전장치 액추에이터는 저장된 에너지를 모터로 방출하는 슈퍼커패시터를 사용하여 전력 공급이 차단되었을 때 열림 또는 닫힘 위치로 이동한다. 댐퍼 액추에이터는 2가지 위치로만 고정되는 제품과 위치를 정밀하게 조정할 수 있는 제품으로 더 세분할 수 있다. 계절이 바뀔 때만 댐퍼를 작동한다면(1년에2~3번) 수동으로 2가지 위치로만 조정할 수 있는 제품이 적합하다. 하지만 예를 들어 댐퍼를 매일 작동시켜야 한다면 전기 모터로 구동되는 자동 전기 댐퍼가 더 나은 선택일 수 있다. 전동 액추에이터를 위해 초소형 모터 솔루션을 결정할 때 당사에서는 모터가 다음과 같은 필요에 의해 맞춤 설계할 수 있 는지를 먼저 알아본다. • 모터/선형 액추에이터가 댐퍼를 정확하게 원하는 위치로 이동시키려면 얼만큼의 토크/힘을 전달해야하는가? • 모터가 열에 얼마나 견딜 수 있는가? • 모터가 HVAC 주기를 견딜 수 있도록 구성부품을 맞춤 설계 할 수 있는가? • HVAC 환경에서 안정적으로 작동한다는 것이 증명된 모터인가? • 모터가 통합 댐퍼 위치 피드백을 달성하기 위한 피드백을 제공하는가? 극한의 온도와 축형 하중을 견딤 HVAC 응용분야에서 작동하는 댐퍼 액추에이터를위해 모터를 맞춤 설계할 때는 회전자의 모양이 매우 중요하다. 모터는 댐퍼 액추에이터 내부의 다양한 열 조건 아래에서 회전하고 정지하므로 모터와 다른구성부품에 추가적인 열역학 스트레스가 가해진다. 회전자 설계에서 비선형 소재의 기계적인 특성은 온도에 따라 다르다. 따라서 고온이나 실내 온도 이하의 온도에서의 회전자 안정성은 회전자의 소재나 소재의 특성, 특히 열팽창계수(CTE)의 영향을 받는다. 선형 또는 비선형 소재 기반 어셈블리를 선택하는 문제는 어려운데 이는 예를 들어 접착제와 같은 비선형 소재의 성능이 소재의 화학식과 프로세스 매개 변수에 영향을 받기 때문이다. 특정 세라믹 자석 등급을 선택하는 것 역시 상황을 복잡하게 만든다. 설계가 현장에서 적절한 성능을 발휘하는지 검증하는 것도 중요한 요소이다. 온도, 습도, 특정 부하 환경과 같은 정적인 환경 조건에서 설계를 검증할 수 있다. 설계에 채택된 소재는 이미 이러한 요소를 고려한다. 하지만 동적인 조건(빠른 온도 또는 습도 변화, 갑자기 변하는 부하 또는 여러 매개 변수의 조합)에서의 성능을 검증해야 장기적인 모터의 성능을 파악할 수 있으며 이는 시뮬레이션이나 분석적 시험으로 달성할 수 있다. 예를 들어 Portescap에서는 회전자 어셈블리를 환경실과 오븐에 넣고 극심한 온도 변화와 열 충격이 발생하는 환경에서 어셈블리를 시험하여 어셈블리가 응용분야에서 요구하는 극단적인 조건을 만족하는지 검증한다. 당사는 또한 축방향 및 토션 부하 테스트를 통해 특정 온도에서 회전자의 기계적 강도를 확인한다. 가속화된 라이프 사이클 테스트를 통해 응용분야의 특정 온도 조건에서 모터의 서비스 수명을 자신있게 예측할 수 있다. 이러한 테스트는 응용분야의 니즈에 따라 부하 또는 무부하 조건에서 실행된다. 조건 테스트를 통한 설계 검증 브러시리스 DC 모터 스테퍼 모터는 전기적으로 작동하는 댐퍼에서 사용하기에 적합한 선택이며 매우 다양한 회전 속도를 달성할 필요가 없는 응용분야에서는 브러시리스 DC 모터보다 경제적이다. 결론 최적의 스테퍼 모터를 선택하는 것은 댐퍼 액추에이션에서 공기 흐름을 제어하는 것이 중요하며 다양한 구성의 스테퍼 모터를 활용하는 이유가 여기에 있다. 당사는 매번 맞춤 설계된 스테퍼 모터를 통해 그러한 요구사항을 만족시켰으며 가성비적인 측면에서 보았을 때 HVAC 액추에이터 시장에서 최고의 선택이라고 자부한다. 현장에서 모터가 자주 고장나면 비용과 책임이 증가하므로 모터를 설계할 때 신뢰성을 최우선으로 고려한다. HVAC 응용분야에서 작동점을 잘 이해하면 설계 및 검증 단계에서 필수적인 요구 사항을 만족시킬 수 있다. 자료 제공: Portescap(www.portescap.com)

2022-11-13