ELT의 정밀하고 신뢰성 높은 영상안정화를 위한 PICA 적층 액추에이터

PI Korea 우주의 깊은 곳에는 아직 발견되지 않은 천체, 행성, 별, 은하들이 있다. 이들을 탐험하기 위해, 유럽 남방 천문대(ESO, European Southern Observatory)는 현재 세계에서 가장 큰 망원경이 될 Extremely Large Telescope(ELT)을 개발하고 있다. ELT의 주경은 거의 40m에 달해 모든 기존 망원경을 능가한다. 칠레 아타카마 사막의 Cerro Armazones 산은 1년 중 350일이 구름 없이 깨끗해 최상의 입지 조건을 갖췄다. 모든 것이 계획대로 진행된다면, 망원경은 2027년에 첫 빛을 보게 될 것이다. '하늘에서 가장 큰 눈'이라고도 불리는 ELT는 총 5개의 거울로 구성된 획기적인 광학 시스템을 포함한다. M1 주경은 직경 30m로 798개의 세그먼트로 구성된 속이 빈 거울이다. 이러한 세그먼트의 고정밀 저장 및 정렬을 위해 PI는 모터 스핀들 드라이브와 피에조 액추에이터로 구성된 하이브리드 드라이브 원리에 기반한 2,000개 이상의 액추에이터를 제공한다. 각 세그먼트는 밤하늘의 빛을 수집하여 M2 부경에 반사한다. 반대로, 주경 위에 걸려 있고 지름이 4.2m인 이 거울은 번들 형태로 빛을 M3 3차 미러로 향하게 한다. M3는 3개의 커브드 하프미러로 구성된 모듈로, 지금까지 보지 못한 화질로 밤하늘을 촬영할 수 있다. 여기에서 빛이 M4 평면 어댑티브 미러로 전달된다. 대기의 난류로 인한 왜곡을 상쇄하기 위해 이 거울은 초당 최대 1,000회까지 모양을 바꿀 수 있다. ELT의 가장 작은 미러 안에 있는 피에조 고전압 액추에이터 직경이 2m인 M5 미러는 시스템에서 가장 작은 미러이면서 세계에서 가장 잘 알려진 팁/틸트 미러이기도 하다. 어떠한 방해 요소도 보상할 수 있어 높은 이미지 품질과 정확한 이미지를 보장한다. PICA Stack actuator ELT의 경우 PI Ceramic의 스페인 고객이 M5 미러용 이미지 안정화 시스템을 개발 및 생산한다. 이것은 PI Ceramic의 11개의 PICA 스택 액추에이터를 사용한다. 이들은 프레임에 통합되어 팁-틸트 스테이지를 만들어 기본 상태에서 37.25°의 기울기가 되도록 한다. 2027년부터는 ELT로 미지의 천체를 우수한 정밀도와 해상도로 촬영할 수 있게 된다. 직경 56mm의 편향과 서브나노미터 범위에서 정밀하게 설정할 수 있는 PI Ceramic의 액추에이터가 이러한 성과에 기여한다. 적층형 설계는 매우 견고하고 신뢰할 수 있으므로 특별한 환경 조건에서 사용하기에 이상적이다. PI Ceramic의 Technical Sales Engineer인 Dr. Daniel Jakobsen은 "한계를 뛰어넘는 것이 우리를 앞으로 나아가게 하는 원동력이다. 세계에서 가장 큰 망원경 ELT의 개발도 같은 모토를 따른다. 우리의 고전압 액추에이터를 통해, 우리는 우주에서 가능성의 영역을 넓히기를 기대한다."고 밝혔다. 자료 제공: PI Korea(www.pikorea.co.kr)

2022-09-02

하이브리드 스테퍼 액츄에이터를 응용장비 설계 적용을 위한 가이드

AMETEK 하이브리드 스테퍼 모터는 VR(Variable Reluctance) 모터와 PM(Permanent Magnet) 모터의 기능을 결합하기 때문에 하이브리드라고 한다. 하이브리드 스테퍼 액츄에이터는 회전식 하이브리드 스테퍼 모터와 회전식-선형 장치(일반적으로 리드 스크류)를 통합하여 선형 축에 모션을 부여하는 전기 기계 장치이다. 1980년대에 채택된 하이브리드 스테퍼 모터는 단순성이 필요한 소형 기계에 탁월하다. 사전 통합된 하이브리드 스테퍼 액츄에이터는 설계 엔지니어가 실제 스트로크, 속도 및 힘 요구 사항에 따라 하위 시스템을 사전 구성할 수 있도록 적용의 용이성을 더욱 높인다. 하이브리드 스테퍼 모터 사용에 대한 역사적 관점 1970년대에는 오늘날의 하이브리드 스테퍼 모터의 기능을 갖춘 특정 VR 모터 디자인이 도입되었다. 솔리드 톱니 로터는 오늘날 널리 퍼져 있는 1.8° 스테퍼 모터와 같은 출력을 갖는다. 로터에 영구 자석 요소를 통합하는 것을 포함하여 1980년대 초, 다른 혁신과 함께 하이브리드 스테퍼가 생겼다. 이러한 모터를 작동시키려면 다양한 제어 및 보상 모드를 위한 전자 장치가 포함된 새로운 초퍼 드라이브가 필요했다. 하이브리드 스테퍼 모터 액츄에이터의 탁월성 하이브리드 스테퍼 액츄에이터는 일관된 포지셔닝 및 신뢰성이 필요한 정밀 중형 애플리케이션에서 일반적이다. 예를 들어 3D 프린터, 스캐너, 경량 의료 기기 및 CNC 장비가 있다. 그들은 40년 또는 심지어 20년 전에는 들어보지도 못한 서비스 작업을 실행하는 실험실 기계에서 탁월하다. 장비에는 유전자 시퀀싱, 암 스크리닝, 유전, 항원 및 항체 평가가 포함되며, 샘플을 이동하는 동안에도 소량의 유체를 반복적으로 분배한다. 수천 가지 분석을 처리를 통해 피로 및 취급 오류에 노출될 수 있는 실험실 기술자보다 자동화 기계가 더 높은 신뢰성을 제공한다. 매우 빠른 이동 속도가 필요한 경우에, 하이브리드 스테퍼 액츄에이터는 적합하지 않으며 브러시리스 DC 서보 모터가 더 적합하다. 모터의 구조 설계 트윈 톱니 로터(컵이라고도 함)는 끝과 끝이 맞닿아 있다. 그리고 치아 배열이 첫 번째 컵의 치아 배열에서 약간 오프셋 되도록 컵 하나를 회전한다. 회전자의 중심을 통해 삽입된 자석은 한 컵의 이빨이 S극 역할을 하고 다른 컵의 이빨이 N극 역할을 하도록 한다. VR 모터와 마찬가지로 하이브리드 스테퍼 모터에도 톱니형 고정자 극이 있어 전자기장을 정확하게 전달하여 톱니형 회전자 어셈블리의 제어된 작동을 유도한다. 입력(구동) 요건 12V 입력이 지정된 기존 DC 모터는 기본적으로 12V를 받아들이고 설계에 따라 회전 또는 다른 동작을 출력한다. 하이브리드 스테퍼 모터는 그렇지 않다. 스테퍼 모터가 정격 코일 전압(일반적으로 2~12V)을 가질 수 있지만 제대로 작동하려면 전류 형성(current-shaping) 드라이브가 필요하기 때문이다. • 설계 엔지니어는 거의 모든 스테퍼 모터에 펄스 전원 입력을 위한 드라이브가 필요하다는 점에 유의해야 한다. 모션 제어 애플리케이션용 모터가 설정된 전압 입력을 받아들이고 단순히 작동할 가능성은 거의 없다. • 일정전류 드라이브 또는 초퍼 드라이브 (Chopper Drives)는 하이브리드 스테퍼 모터에서 최고의 성능을 얻는다. 초퍼 드라이브는 스테퍼 모터에 대량으로 발생하는 역기전력(EMF)을 극복하기 위해 모터에 과전압을 보내 모터 출력을 최적화한다. 이것은 스테퍼 모터가 고극 모터이고 내부적으로 강한 자기장을 생성하기 때문에 문제이다. 즉, 하이브리드 스테퍼 모터의 회전 속도가 빠를수록 시스템에서 더 많은 역전압이 생성되어 적시에 전원을 공급하는 능력이 저하된다. 회전-선형 장치 통합 스테퍼 모터의 출력 샤프트를 리드 스크류에 연결하기 위한 옵션에는 백래시 커플링이 없는 독점 잠금 메커니즘, 카운터 보어 또는 중공 보어 압입이 포함된다. 사전 통합 액추에이터는 이러한 요구 사항을 미리 해결한다. 자세한 내용은 제조업체에 문의한다. 적절한 지정 하이브리드 스테퍼 액추에이터 크기 조정에는 다음 정의가 필요하다. 1. 축 하중을 이동하는 데 필요한 선형 힘(N) 2. 직선거리축의 하중(m)을 이동 3. 부하를 이동시키는 허용 사이클 시간(초) 4. 적절한 프레임 크기를 가진 모터의 선형 출력에 대한 정보 5. 제조업체의 선형 액추에이터 카탈로그에 게시된 성능 곡선 a. 애플리케이션 매개변수 1단계: 위의 5가지 매개변수를 사용하여 애플리케이션의 전력 요구 사항을 계산한다. 이것은 적절한 모터 프레임 크기를 선택하는 데 도움이 된다. P linear(W) = 이동 거리(m) × 힘(N) / 전체 이동 시간(s) 2단계: 제조업체 테이블에서 액추에이터 프레임 크기를 선택한다. 언급한 바와 같이 모든 스테퍼 기반 선형 액추에이터에는 모터에 펄스*를 전송하기 위한 드라이브가 필요하다. 액추에이터 사양에 대한 다음 두 매개변수인 리드 스크류 분해능 및 서비스 수명도 제조업체 참조에서 결정된다. b. 드라이브 선택 액추에이터에서 하이브리드 스테퍼 모터의 구동은 종종 제대로 이해되지 않는다. 설계 엔지니어가 제조업체에 전화를 걸어 이러한 설계를 위해 12V 스테퍼 모터를 요청하는 것은 드문 일이 아니다. 제조업체는 일반적으로 스테퍼를 실행하기 위해 초퍼 드라이브 (chopper Drive) 또는 일일정전류 드라이브를 권장한다는 점을 강조해야 한다. 이러한 드라이브는 과전압을 적용하여 모터가 전체 범위의 속도와 힘 출력을 제공할 수 있도록 한다. 예를 들어, 값은 40V를 수신하는 5V 모터에 대한 것이다. 다른 모터 유형에 익숙한 엔지니어는 이것을 보고 다음과 같이 물을 것이다. 5V 코일로 40V를 수신하면 모터가 탈것이다. 그렇다, 이러한 수준에서 모터를 구동하면 권선에서 열로 인한 고장이 발생할 수 있다. 그러나 초퍼 드라이브(또는 전류를 제한하는 일정전류 장치)를 사용하면 이러한 과전압이 안전하고 일반적으로 모터를 효율적으로 구동할 수 있다. 일정전류 또는 초퍼 드라이브의 과전압 원리가 가장 중요한다. 하이브리드 스테퍼 액츄에이터는 펄스(및 방향성) 전기 입력을 제공하는 다른 드라이브가 있는 초퍼 드라이브 또는 일부 컨트롤러의 펄스 전원 출력이 필요하다. c. 리드 스크류 고려 사항 리드 스크류 디자인이 얼마나 단순해 보일 수 있는지에도 불구하고 이러한 구성 요소와 해당 사양에 대한 잘못된 인식은 지속된다. 리드 스크류 산은 고도로 엔지니어링이 된 형상으로 범용 하드웨어로 대체할 수 없다. 가장 큰 오해 중 하나는 고정 하드웨어의 스크류 산이 리드 스크류와 같은 선형 운동 장치의 스크류 산과 같은 종류라는 것이다. 그것은 거짓이다. 사실, 회전식-선형 장치의 스크류 형태는 선형 힘 출력을 최대화하도록 고도로 엔지니어링이 되었으며 일반적으로 스크류 형태가 절단되지 않고 롤링 된다. 즉, 모양이 강철로 눌러져 있으므로 특히 폴리머 너트와 결합할 때 마찰을 줄이기 위해 표면을 매우 매끄럽게 처리해야 한다. • 피치와 리드는 종종 리드 스크류를 설명하기 위해 같은 의미로 사용되지만, 리드가 보다 더 설명이 되는 용어이다. 이는 명확한 표현인 스크류 1회전당 선형 이동을 의미하기 때문이다. d. 사이징 3인치의 이동에 대해 15lb의 선형 힘이 필요한 선형 모션 애플리케이션이 있다고 가정한다. 목표 설계 수명은 1,000,000사이클이다. 액추에이터는 6초 이내에 이 스트로크를 실행해야 한다. 이는 6초에 3인치 또는 0.5인치/초의 선형 속도를 만든다. 다음으로 필요한 액추에이터 수명을 기준으로 초기 정격 하중을 계산한다. 이를 위해 제조업체의 차트를 사용하여 정격 하중을 스트로크 수의 함수로 표시한다. 이 예에서 선택한 액추에이터가 1,000,000사이클에서 정격 부하의 50%를 전달한다고 가정한다. 이는 액츄에이터의 크기를 조정할 때 0.5의 계수를 사용해야 함을 의미한다. 1,000,000 사이클 후 설계 요구 사항을 충족하기에 충분한 힘을 보장하기 위한 초기 정격 힘은 15lb ÷ 0.5 = 30lb이다. 파운드 힘을 뉴턴으로 변환하면 30lb ÷ (0.225lb ÷ N) = 133N이 된다. 다음으로 필요한 이동 거리(미터)를 결정한다. 3 in. x (0.0254 m ÷ in.) = 0.0762 m. 그런 다음 2단계 프로세스에서 제조업체 차트를 사용하여 적절한 프레임 크기의 액추에이터를 선택한다. 1단계: 필요한 기계적 동력(선형)을 와트 단위로 결정: P 선형(W) = 0.0762m × 133N/6초 = 1.7W 2단계: 성능 차트를 사용하여 적절한 크기의 액추에이터 식별. 이 예에서 애플리케이션을 충족시키는 프레임 크기는 43000 시리즈, 크기 17이다. 자료 제공: AMETEK(www.haydonkerkpittman.com)

2022-09-02

스마트 제조를 위한 정밀 위치 피드백

RENISHAW 배경 세계가 새로운 스마트 제조의 시대로 들어서면서 정밀 모션제어 시스템에 대한 업계의 요구가 전례 없는 수준으로 증가하고 있다. 대만에 있는 Chieftek Precision Co., Ltd.(CPC)는 리니어 가이드 레일, 직접 구동(DD) 모션 스테이지등의 정밀 모션 제어 제품을 제조하는 글로벌 제조업체이다. DD 모터 기술은 40여 년 전에 처음 등장했지만 폭 넓게 채택되기 시작한 것은 비교적 최근의 일이다. 지난 몇 년 동안 리니어 모터 시스템과 전통적인 볼 스크류 시스템 간 비용차이가 절반으로 감소했다. 최근 몇 년 동안, CPC는 리니어 스테이지와 DD 모터, DD 로터리 테이블을 비롯한 모션 제어 관련 제품 개발에 상당한자원을 투자해 왔으며, 대다수의 제품에 Renishaw의 고성능리니어 및 로터리 (앵글) 엔코더를 사용하고 있다. 과제 모션 제어 장비 시장이 뚜렷한 성장세를 이어가고 있는 가운데, 치열한 경쟁이 계속되고 있다. 제조업체들은 앞으로 나아가기 위해 수많은 기업들 사이에서 두각을 나타내야 한다. CPC의 R&D 부문 부서장 James Wu가 회사의 전략을 설명한다. “저희는 초소형 가이드 레일 제조업체로 시작해서 가이드 레일 제품이 매출의 절반 이상을 차지하는 시장 선두주자로 성장했습니다. 최근 몇 년 사이, 직접 구동 모터와 관련 구성품에 대한 수요가 증가하고 있는 가운데 이 분야에 전체 R&D 지출의 70%에달하는 자원을 집중 투자했습니다.” Wu가 이어서 말합니다. “경쟁자가 많은 시장에서 생산비용을 최소화하기 위한 노력은 필수적입니다. 당사에서는 대부분의 기계 구성품과 모터, 드라이버를 내부에서 개발 및 제조합니다. 우리 회사의 가장 큰 과제는 모터 관련 경쟁력을 확보하는 것입니다. 외부에서 구매하는 부품의 경우, 가성비가 좋은 고성능 부품을 선택함으로써 비용을 최대한 줄이고 있습니다. 또한 폭 넓은 고객 요구 사항을 충족하는 모션 제어 소프트웨어를 자체적으로 개발하고 있습니다. 새로운 Industry 4.0 시대에 접어들면서 제품 맞춤화의 중요성이 날로 커지고 있습니다.” 솔루션 CPC는 미니 DD 로터리 스테이지의 RP 계열을 포함하여 폭넓은 모션 제품에 Renishaw의 옵티컬 엔코더를 사용한다. 이러한 스테이지는 외부 직경이 120 mm이고 최소 두께가 37 mm이며, 위치 엔코더 피드백을 위한 여러 가지 옵션이 함께 제공된다. 옵션에는 고객이 요구하는 정밀도 수준에 따라 CPC의 내부 마그네틱 엔코더와 Renishaw의 ATOM™ 옵티컬엔코더가 포함된다. 공작 기계에는 대형 로터리 테이블이 사용되는 반면, 산업자동화나 반도체, FPD 제조 장비와 같이 빠른 속도와 높은 정밀도가 필요한 분야에는 주로 미니 DD 로터리 테이블을 사용한다. Wu는 다음과 같이 설명합니다. “지금까지 9년 동안 Renishaw와 협력해 왔으며 다양한 상황에서 Renishaw의 옵티컬 엔코더를 사용하고 있습니다. CPC의 RP-시리즈로터리 테이블은 40 μm 피치 스케일 및 50 mm 디스크 직경과함께 Renishaw ATOM™ 엔코더를 사용해 각분해능이 ±1.8 arc second인 출력 신호를 제공합니다. ATOM 판독 헤드나유리 디스크는 매우 가볍고 얇게 설계되어 공간이 협소한 미니로터리 테이블과 같은 분야에 아주 적합합니다.” Renishaw ATOM 초소형 옵티컬 엔코더 제품군은 판독 헤드크기가 7.3 x 20.5 x 12.7 mm에 불과하며 시장에 출시된 유일한 통합형 초소형 옵티컬 엔코더 중 하나로, 최고의 신호안정성과 내분진성, 신뢰성이 강점이다. ATOM 엔코더의 RCDM 로터리 스케일은 일체형 유리디스크로, 단일 레퍼런스 마크, 옵티컬 정렬 링과 함께 디스크면에 직접 스케일 눈금이 새겨진다. 옵티컬 정렬 링을사용해 앵귤러 정렬 오차를 최소화하고 설치 정확도를 높일 수 있다. ATOM은 오픈 포맷을 채택한 비접촉식 옵티컬엔코더로, 백래시와 샤프트 와인드업(비틀림) 및 기타 전통적인 밀폐형 엔코더에서 고질적으로 발생하는 기계적인 이력 오차의 효과적인 제거가 가능하다. 설치 도중 장착 표면을 디스크 아래에 고정시킬 수 있지만, 접합 전에 디스크 중심에 맞춰야 한다. 이 캘리브레이션은 일반적으로 전자적인 방법이나 광학 방식으로 수행된다. 전자 방식 캘리브레이션에는 서로에 대해 180° 각도로 설치된 두 개의 판독 헤드로부터 수신되는 출력 신호를 모니터링한 후 두 판독 헤드로부터 읽은 값들 간의 차이를 최소화하기 위해 디스크를 조정(조정 도구에는 두 개의 ATOM 판독 헤드와 Renishaw DSI 인터페이스가 포함됨)하는 작업이 포함된다. 광학 방식 캘리브레이션의 경우 현미경을 사용하여 디스크의 위치를 수동으로 장착 표면 중앙에 맞춘다. Wu는 이어서 말한다. “설치 과정에서 자외선 경화접착제로 디스크에 마운트를 접합하고 현미경으로 두 대상의 중앙을 정렬하여 편심도를 최소화한 다음 어셈블리를 UV 램프에 노출시켜 접합제를 굳힙니다. ATOM 디스크에 ‘정렬링’이 표시되어 있기 때문에 수동 회전 중 현미경을 사용하여 링 위치의 변화를 관찰하는 방식으로 캘리브레이션을 수행할 수 있어 캘리브레이션 절차가 매우 간편합니다.” 그는 다음과 같이 덧붙인다. “품질 관리를 위해 Renishaw XL-80 레이저 간섭계를 사용해서 모션 제품의 정확도를 확인하며, 증가하는 주문과 신규 공장의 수요에 대처하기 위해 유닛을 추가하는 것도 고려 중입니다. 로터리 테이블에서 ATOM 판독 헤드를 사용하는 것 외에도 다른 Renishaw 엔코더들을 다양하게 사용하고 있습니다. 예를 들어 CPC의 리니어 플랫폼에서는 RGH 시리즈 엔코더를 사용하고 대형로터리 테이블에는 RESOLUTE™ 앱솔루트 옵티컬 엔코더를 사용합니다. 또한 진공 환경에서 작동 가능한 옵티컬 엔코더시스템도 테스트하고 있습니다.” 결과 Renishaw의 소형 엔코더는 설치와 셋업이 쉽고 빠르기 때문에CPC는 품질과 성능의 저하 없이도 경쟁력 있는 DD 제품을 제조할 수 있다. Wu가 말했다. “Renishaw의 옵티컬 엔코더는 수년 동안 매우 안정적인 성능을 유지하고 있으며, 뛰어난 사양으로 고객들의 요구를 충족시키고 있습니다. 또한 다른 엔코더브랜드에 비해 내분진성이 더 뛰어납니다. 문제가 생기는 일이거의 없고 고객 서비스 또한 탁월합니다. 기본적으로 판독헤드의 LED 색상을 보고 정상 설치 여부만 확인하면 되므로 엔코더 셋업이 매우 간단합니다.” 그는 다음과 같이 결론을 맺는다. “직접 구동 기술은 정밀도, 효율성, 빠른 반응 속도, 내구성 등의 다양한 장점 때문에 대세로 떠오르고 있습니다. Industry 4.0 시대에 진입하면서 시스템과 하드웨어의 호환성, 그리고 서로 통신이 가능한지 여부가 모션 제어 제품 개발 트렌드를 이끌어 가는 주축이 될 것입니다. CPC는 앞으로도 계속해서 이 분야에 더많은 자원을 투자해 나갈 것입니다.” 자료 제공: RENISHAW(www.renishaw.com)

2022-09-02

ROS 2와 결합된 소프트웨어 - 정의 EtherCAT으로 파나소닉은 업계 최초로 빠른 AMR 개발 솔루션 구축

에이디링크 COVID-19은 전 세계의 제조의 운영에도 큰 영향을 미쳤다. 산업계는 여전히 노동력 부족으로 어려움을 겪고 있으며, 이로 인해 제조 부문에서 스마트 솔루션의 도입이 가속화되고 있다. 스마트 솔루션 중 자율이동로봇(AMR)은 스마트 제조에서 중요한 역할을 할 것이다. Inkwood Research의 보고서에 따르면 2021년부터 2028년까지 AMR 시장은 23.43%의 CAGR로 성장하고, 규모는 100억 달러에 달할 것이다. 이 유망한 잠재력에 따라, 수많은 산업의 대기업과 신생 기업이 AMR 시장에 합류했다. 그러나 AMR의 개발은 다양한 시스템과 구성요소의 통합을 필요로 하므로 많은 인력, 시간 및 비용이 필요하다. 그리고 개발 일정이 지연되면 시장에서 기회를 놓치게 된다. 소프트웨어-정의 EtherCAT + ROS 2 솔루션 에이디링크는 AMR 개발자의 고충을 이해하고 소프트웨어-정의 EtherCAT을 ROS 2 컨트롤러에 통합하는 데 앞장서 왔다. ROS 2 컨트롤러는 EtherCAT 통신 프로토콜을 통해 모터와 로봇암의 작동을 직접 제어할 수 있다 따라서 모터 및 로봇암 컨트롤러의 하드웨어 비용 뿐만 아니라, 내비게이션 컨트롤러를 모터 및 로봇암 컨트롤러와 통합하기 위한 노력과 시간도 절약된다. 파나소닉은 에이디링크의 소프트웨어-정의 EtherCAT + ROS 2 솔루션을 채택하고 EtherCAT 모터와 통합하여 단 2개월 만에 AMR을 개발했다. 이 신속한 개발 솔루션은 2022년 3월 일본에서 열린 국제 로봇 전시회(iREX)에서 첫선을 보였다. 컨트롤러 통합 문제 제거, 개발 비용 감소, 시장 출시 기간 단축 현재의 AMR 솔루션 중 모터와 로봇암은 각각 전용 모터와 로봇암 컨트롤러로 구동되는데, 이 때 필요한 모션 부품을 서로 다른 공급업체에서 공급받아야 하기 때문에, 조달 비용을 줄이기 어렵다. ROS 운영 체제의 알고리즘으로 다른 모션 구성 요소 공급업체로 인한 하드웨어 및 소프트웨어 통합 문제를 해결할 수 있지만, 이 때 AMR의 정확한 제어를 구현하기 위해서는 여전히 많은 리소스와 시간을 필요로 한다. “내비게이션 컨트롤러와 모터 및 로봇암 컨트롤러를 통합하는 문제를 해결하기 위해, 에이디링크는 모든 모션 제어 기능을 소프트웨어-정의 EtherCAT이 장착된 ROS 2 기반 내비게이션 컨트롤러에 통합했습니다. AMR 개발자는 EtherCAT 기반 로봇암과 모터를 제어하기 위해 해당 ROS 패키지만 선택하면 되므로, 컨트롤러와 하드웨어 비용을 통합하는 데 드는 많은 시간을 절약할 수 있습니다. 총 비용을 약 30% 절감할 수 있고, AMR 개발 시간을 단축하여 새로운 시장에서 기회를 잡을 수 있습니다."라고 에이디링크의 스마트 머신 제품 센터 매니저인 Ray Lin이 말했다. 또 다른 문제는 모터와 로봇암이 모두 특정 공급업체에서 공급되며 COVID-19가 공급에 계속 영향을 미치고 있다는 것이다. AMR 제조업체가 특정 공급업체에 의존한다면, 구성 요소 옵션이 제한되고 고객에 대한 납품 약속을 이행하지 못할 수 있다. EtherCAT은 개방형 통신 프로토콜이며 수십 년 동안 산업 제어 분야에서 입증되었다. 다양한 공급업체와의 표준화된 옵션으로 인해, AMR 제조업체는 구성품 조달이 유연해진다. 가동 시간은 늘리고, AMR 은 더 작게 대부분의 현존하는 공장들은 이미 수년 전에 계획 또는 건설되었다. 생산라인의 플로어 레이아웃 및 운영 경로가 고정되어 있기 때문에 AMR 도입을 위해 공장을 재구성하기는 어렵다. 따라서 AMR 의 소형화는 AMR 제조업체의 또 다른 과제이다. “ROS 2 컨트롤러와 결합된 소프트웨어-정의 EtherCAT은 AMR을 소형화하기 위한 완벽한 솔루션입니다. 모터 및 로봇암 컨트롤러에 필요한 공간이 필요없기 때문에 AMR 크기를 줄이고, 대신 더 많은 생산 장치를 동시에 설치할 수 있는 여유 공간을 확보할 수 있습니다. 이것은 AMR 기반 작업의 가동 시간을 크게 향상시킬 것입니다.” 라고 Ray Lin은 말했다. 자료 제공: ADLINK(www.adlinktech.com)

2022-09-02

최적의 볼 스크류 선정을 위한 9가지 고려 사항

Thomson 볼 스크류 어셈블리는 회전운동을 선형운동으로 또는 그 반대로 변환시킨다. 볼 스크류는 소형 실험실의 유체펌프에서 대형 갠트리 시스템에 이르기까지 다양한 자동화 분야에서 구성요소와 제품을 가이드, 지지, 배치 및 정확히 옮기는 일 등에 널리 사용된다. 주어진 분야에 맞는 볼 스크류는 총비용을 최소화하면서 정확도, 반복성 및 수명을 보장한다. 본문은 볼 스크류 어셈블리에 대한 개요와 모션시스템 설계자가 최적의 애플리케이션을 확보하기 위한 고려 사항을 설명한다. 볼 스크류 기초 볼 스크류 어셈블리는 볼 스크류와 순환 볼 베어링이 있는 볼 너트로 구성된다(그림 1). 볼 베어링에 의해 형성되는 스크류와 너트사이의 인터페이스는 볼 스크류와 볼 너트가 일치하게 움직인다. 볼 스크류에 가해지는 하중은 다수의 볼 베어링에 분산되어 각 볼에 상대적으로 낮은 하중이 가해진다. 롤링요소 설계로 인해 볼 스크류 어셈블리는 마찰 계수가 매우 낮아 기계적 효율성이 높다. 볼 스크류와 리드 스크류의 주요 차이점은 볼 스크류는 마찰을 최소화하고 효율성을 최대화하기 위해 재순환 볼 베어링 스크류를 사용한다는 것이다. 이로 인해 볼 스크류는 리드 스크류보다 비싸지만 더욱 높은 하중과 빠른 속도를 달성한다. 예측 가능한 수명을 달성할 수 있기 때문에 많은 분야에 적용된다. 또한 볼 베어링 어셈블리의 높은 비용은 일반적으로 90% 이상의 기계적 효율성으로 인한 감소된 전력으로 상쇄된다. 사용자 측면에서는, 볼 스크류의 증가된 부하 용량과 보다 긴 수명 및 예측 가능한 신뢰성은 리드 스크류에 비해 큰 장점이다. 부하용량 및 정밀도에 적합한 볼 스크류 어셈블리를 선정하는 것은 반복되는 과정이다. 볼 스크류 선택은 이동할 하중, 필요한 속도, 원하는 포지셔닝 정확도 및 반복성을 결정하는 것으로 시작한다. 볼 스크류 어셈블리의 직경, 리드 및 부하용량을 계산하여 애플리케이션을 구동할 수 있으며, 그 후에는 수명 주기, 장착 구성 및 환경 조건에 대한 내구성을 고려하여 선택을 세분화할 수 있다. 다음은 최적의 볼 스크류 선정을 위한 10단계 과정이다. 1. 부하 및 속도 요구사항을 설정한다. 2. 애플리케이션 기대수명을 결정한다. 3. 정확도 요구사항을 결정한다. 4. 반복성 요구사항을 결정한다. 5. 설치 문제를 평가한다. 6. 볼 너트를 인장 또는 압축 모드로 사용해야 하는지 결정한다. 7. 진동 및 고조파 문제를 고려한다. 8. 다른 디자인 가능성을 조사한다. 9. 취급 및 유지관리 요구사항을 이해한다. 10. 온라인 선택 및 구성 도구를 최대한 활용한다. 다음은 각 단계들을 살펴본다. 1. 하중 및 속도 요구사항 설정 구성요소 옵션을 고려하여 하중 또는 속도 사양을 수정하게 될 수도 있지만 이는 애플리케이션에 따라 다르다. 볼 스크류는 Ø6.3in(160mm)를 사용하여 동적용량이 337,213lb(1500kN) 이상인 높은 추력 하중을 처리하는 데 사용한다. 볼 스크류 어셈블리로 일반적으로 90% 이상 효율을 달성할 수 있으며, 최대 속도는 4500RPM이다. 2. 애플리케이션 기대 수명 결정 볼 스크류의 예상 수명은 작동 프로필(하루에 몇 시간, 일주일에 며칠, 연간 몇 주 동안 작동될 것인지)과 전체 수명 요구사항을 기반으로 정의해야 한다. 더욱 복잡한 애플리케이션의 경우 모션 프로파일을 작성해야 할 수도 있다. 모션 프로파일의 각 세그먼트는 시작 속도, 끝 속도, 시간 및 토크를 입력해야 한다. 그림 2의 각 볼 너트에 대해 지정된 동적 정격하중을 사용하여 어셈블리 수명을 계산한다. 곡선이 표시된 점을 통과하는 위에 있는 볼 너트가 이 예에 적합하다. 이 그래프에 표시된 예상수명은 개별 볼 너트 어셈블리에 대한 정격표에 나와 있는 최대 정적 부하용량을 초과하지 않는 조건이다. 그림 2의 화살표로 표시된 예에서 원하는 애플리케이션 기대수명(총 이동 거리)이 200만 in(5080만 mm)일 때 최대 정상 작동부하는 10,000lb(44,500N)가 된다. 3. 정확도 요구사항 결정 리드 정확도는 볼 스크류 정확도의 척도이다. 리드는 스크류를 한 번 360도 돌릴 때 회전하지 않는 볼 너트가 이동하는 거리를 나타낸다. 리드 정확도는 inch 단위로 제작된 볼 스크류에서 1 foot 당(또는 미터법 제품에서 300mm당) 허용 가능한 이동변동(실제 위치 vs 이론상 위치)으로 측정된다. 볼 스크류는 운송(T 등급) 및 포지셔닝(P 등급)의 두 가지 공차에서 사용할 수 있다. T 등급은 일반적으로 ±50 μm/300 mm 이상의 낮은 정밀도 수준이다. 설계자는 애플리케이션에 필요한 한 지점으로부터 다른 지점으로의 하중 변환을 지정한다. 애플리케이션이 외부 피드백 어셈블리를 구현하지 않고 하중의 절대 위치에 대한 데이터가 필요한 경우 ±23μm/300mm 이하의 정확도를 제공하는 높은 정밀도의 P 등급을 지정한다. 정확도 지정은 또한 위치 오차의 전체 누적을 정의한다. 이송 등급 오류는 누적 및 선형인 반면, 정밀 등급 오류는 제한된다. 운송 등급 볼 스크류는 정밀 등급보다 저렴하다. 그림 3은 볼 스크류의 사용 가능한 길이에 따른 운송 및 정밀 등급 변화를 비교한다. 4. 반복성 요구사항 결정 반복성은 작동 중에 지정된 위치로 돌아갈 수 있는 능력을 측정한다. 영향을 미치는 반복성은 축 방향 또는 반경 방향으로 측정할 수 있는 백래시로 알려진 너트와 스크류 사이의 자유로운 움직임이다. 볼 스크류 백래시는 주로 볼 베어링 직경과 관련이 있다. 축 방향 백래시를 측정하려면 스크류가 움직이지 않도록 고정하고 다이얼 게이지로 움직임을 측정하면서 볼 너트를 축 방향으로 밀고 당긴다. 또는 시스템의 볼 너트에 다이얼 표시기를 놓고 원래 위치로 앞뒤 1in 구동한다. 백래시는 0에서 벗어나는 변동이다. 반복성은 그 변화의 양적 값이며 볼 스크류는 낮은 백래시와 우수한 반복성이 특징이다. 너트에 예압을 가하면 백래시를 제어할 수 있다. 스킵 리드 예압(skip-lead preload)을 사용하면 리드가 볼 너트 내에서 오프셋되어 정확한 예압을 제공한다. 이러한 유형의 예압은 일반적으로 반복성과 높은 강성이 모두 필요한 곳에 사용한다. 이중 너트 조정이 가능한 예압은 압축 스프링을 사용하여 두 개의 볼 너트를 서로에 대해 축 방향으로 하중을 가하는 것을 포함한다. 일반적으로 반복성이 중요한 포지셔닝 애플리케이션에 사용한다. 예압을 사용하지 않는 경우 스크류와 너트 사이에는 축 방향 유격이 존재하며 크기에 따라 0.002~0.008 in(0.06~ 0.2mm)이다. 예압은 일반적으로 운송 또는 수직 적용에 사용하지 않는다. 예압을 가하지 않은 볼 너트는 구성요소 사이에 내부 간극이 있으므로 백래시가 존재한다. 그러나 예압 볼 너트에는 축방향 클리어런스가 없으므로 백래시가 제거되고 강성이 증가한다. 예압은 또한 스크류를 회전시키는데 필요한 토크를 증가시키며 동적용량에 대한 예압의 백분율로 측정된다. 동적 용량이 1500 lb이고 예압정격이 10%인 볼 너트에는 150 lb의 내부 예압이 있다. 정밀 볼 스크류는 일반적으로 예압 없이 사용한다. 볼스크류에 예압을 가하면 백래시가 제거되어 반복성이 향상되고 정확도에는 영향을 미치지 않는다. 예압을 가한 볼 너트는 일부 정밀 스크류 제품에서 사용할 수 있다. 복잡성, 추가 가공, 조립 및 검증/측정으로 인해 예압을 가하지 않은 너트보다 비용이 많이 든다. 볼 스크류 어셈블리는 이중 또는 단일 너트 구성으로 예압을 가할 수 있다. 예압에는 싱글너트 대형 볼(4점 접점), 싱글 너트 스킵 리드(2점 접점) 및 더블 너트(2점 접점)의 세 가지 주요 유형이 있다(그림 4). 단일 너트 예압은 전체 부하 용량을 유지하면서 가장 작은 패키지 크기를 유지한다. 스킵 리드 볼 너트는 볼 베어링의 절반만 각 방향으로 예압되므로 단일 너트 용량이 절반이다. 이중 너트 예압 어셈블리는 각 방향으로 하나의 볼 너트만 로드되기 때문에 단일 너트와 동일한 하중 용량을 갖는다. 스크류의 회전 여부도 반복성에 영향을 미친다. 표 1에 나와 있는 것처럼, 표준 예압으로 압연 생산된 볼 스크류는 최대 400kN의 정적 하중, 최대 130kN의 동적 하중, 최대 8m 길이 및 최대 직경 80mm 까지, 정밀 등급을 P3까지 지정할 수 있다. 더 크고 정밀한 클래스 애플리케이션에는 whirled 또는 접지 샤프트가 필요하다. 5. 설치 문제 평가 장착 유연성의 정도는 볼 스크류 옵션에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 끝단 지지대의 구성과 이동 거리는 볼 스크류의 하중과 속도 제한을 결정한다. 볼 스크류는 지지 또는 고정으로 구성된다. 지지점에는 굽힘 모멘트가 없다. 지지된 끝은 고정된 것보다 정렬 및 설치가 쉽기 때문에 설치 비용이 저렴하다. 고정단은 볼 스크류가 회전 베어링의 평면에 수직으로 유지되도록 두 개의 베어링을 기반으로 하기 때문에 굽힘 모멘트 하중에 저항한다. 고정은 뛰어난 강도와 높은 임계 속도를 제공한다. 그림 5는 네 가지 고정 옵션을 보여준다. 어셈블리는 양쪽 끝에서 고정되거나, 한쪽 끝에서만 고정되고 다른 쪽 끝에서는 지지되거나, 양쪽 끝에서 지지되거나, 한쪽 끝에서 고정되고 다른 쪽 끝에서 자유로울 수 있다. 또한 어셈블리는 최적의 성능과 수명을 달성하기 위해 구동 시스템, 베어링 지지대 및 하중과 적절하게 정렬되어야 한다. 기하학적 방향은 주요 설치 요소이다. 수평 방향에서 하중은 페이로드 중량에 마찰 계수를 곱한 것과 같다. 수직 방향에서 하중은 무게와 같다. 위치 요구 사항에 따라 볼 스크류 등급이 결정된다. 6. 볼 너트를 인장 또는 압축 모드로 사용해야 하는지 결정 인장 하중은 스크류를 축 방향으로 늘려서 잠재적으로 균열을 일으킬 수 있다. 압축 하중은 스크류에 축 방향으로 압력을 가하여 스크류를 휘게 만들 수 있다. 인장 상태의 볼 스크류는 너트의 정격 용량까지 하중을 처리할 수 있으므로 인장 모드에서 볼 너트를 사용할 때 너트의 정격 용량을 확인하면 된다. 압축 중인 볼 너트의 경우 그림 6의 압축 하중 차트를 사용해 설계 하중을 충족하거나 초과하는 직경을 선택한다. 이때 플롯된 점의 오른쪽 또는 위를 통과하는 곡선이 있는 스크류가 적합하다. 이 그래프에 표시된 적절한 압축하중은 개별 볼 너트 어셈블리 정격표에 나와 있는 최대 정적 하중 용량을 초과하지 않아야 한다. 예: 길이 85inch(2159mm), 시스템 부하 30,000 lb(133.5kN) 그리고 한쪽 끝은 고정되고 다른 쪽 끝은 지지되는 고정 장치일 때 최소의 선택은 1.750 x 0.20 in. 볼 스크류 조립이다. 너트의 허용 압축하중을 계산하거나 제조업체에서 제공한 압축하중 그래프를 참조하여 필요한 하중을 충족하거나 초과하는 볼 스크류 직경을 선택한다. 볼 스크류는 축 방향 하중에서만 가장 잘 작동한다. 스크류는 모터의 토크에 의해 볼 너트에 발생하는 하중과 동일하고 반대인 축 방향 하중으로 전달해야 한다. 압축하중에서 좌굴(buckling)을 방지하는 볼 스크류의 능력을 기둥강도(column strength)라고 하며, 이는 길이 대 직경의 비율로 특징지어 진다. 압축하중은 기둥강도에 따라 달라진다. 양단이 고정된 볼스크류는 양단만 지지한 볼스크류보다 1.5배, 자유단이 있는 볼스크류보다 2.5배 길다. 좌굴 없이 같은 양의 하중을 지지할 수 있다. 기둥 강도는 긴 기둥의 압축 강도보다 훨씬 낮기 때문에 제어 설계의 매개변수이다. 7. 진동 및 고조파 문제 볼 스크류의 제한속도는 고유 진동수에 따라 달라지는 경향이 있다. 임계속도는 볼 스크류에 조화진동(harmonic vibrations)을 설정하는 회전속도이다. 임계 스크류 속도는 스크류의 루트 직경, 지지되지 않는 길이 및 끝 지지대 구성에 따라 다르다. 예를 들어, 양쪽 끝이 고정된 100in 길이, 1in-root 지름 볼 스크류의 고유 진동수는 약 18Hz이다. 양쪽 끝을 고정하지 않고 지지하면 동일한 볼스크류의 고유진동수가 약 8Hz로 감소한다. 스크류의 회전 주파수가 고유 진동수와 일치하면 약간의 불균형이 공진할 수 있다. 과도하게 구부러지면 스크류가 제대로 작동하지 않는다. 그림 7은 볼 스크류의 허용속도 대 길이를 보여준다. 플롯된 점의 오른쪽 또는 위를 통과하는 곡선이 있는 모든 스크류가 이 예에 적합하다. 그림 하단에 있는 4개의 끝단 고정 도면은 회전 샤프트를 지지하기 위한 베어링 구성을 보여주고 차트는 지지되지 않은 스크류 길이에 대한 임계 샤프트 속도에 대한 영향을 보여준다. 이 그래프에 표시된 허용 가능한 속도는 스크류 축에 적용되며, 모든 볼 너트 어셈블리에서 얻을 수 있는 속도를 나타내는 것은 아니다. 하중, 수명 및 속도 계산을 통해 선택한 볼 스크류 어셈블리가 설계 요구사항을 충족하거나 초과하는 것으로 확인되면 다음 단계로 진행한다. 그렇지 않은 더욱 큰 직경의 스크류는 부하 용량을 증가시키고 정격 속도를 증가시킨다. 리드가 작을수록 선형 속도는 감소하고(일정한 입력 모터 속도 가정), 모터 속도는 증가하고(일정한 선형 속도 가정), 필요한 입력 토크가 감소한다. 일정한 모터 속도를 가정할 때 리드가 높을수록 선형 속도도 증가한다. 일정한 선형 속도를 가정하여 입력 모터 속도를 줄일 수 있으며, 필요한 입력 토크를 높일 수 있다. 속도 요구사항을 충족할 볼 스크류의 리드를 다음과 같이 계산한다. Lead(in)=TRavel Rate (in./min)/rpm 모든 볼 스크류에는 스크류의 과도한 진동/고조파 지점인 고유한 회전속도 제한이 있다. 이 임계 속도는 최종 구성에 따라 다르다(그림 5). 특정 볼 스크류 시스템의 임계속도를 결정하는 데 도움이 되도록 제조업체의 허용 가능한 속도 그래프를 사용해야 한다. 8. 다른 디자인 가능성 조사 볼 스크류 선택에서 고려해야 할 또 다른 요소는 볼 리턴 시스템, 애플리케이션 인터페이스, 환경 복원성 및 미터법 측정 척도이다. 볼 리턴 시스템 선택은 애플리케이션에 따라 비용, 설치, 소음 등이 달라진다. 유형은 다음과 같다. • 인치 스크류에 사용하는 외부 리턴 튜브(External return tubes)는 비용 효율적이고 설치, 유지보수가 쉽다. • 로우 리드 스크류에 사용하는 내부 버튼 리턴 시스템(internal button return systems)은 장착을 복잡하게 하는 외부 방사형 돌출부가 없어 콤팩트하며 외부 리턴보다 소음과 진동이 적다. • 내부 버튼 리턴 시스템은 4점 접촉으로 단일 너트 및 예압 어셈블리에 자주 사용한다. • 하이 리드 스크류에 사용하는 내부 엔드 캡 리턴(Internal end cap returns)은 장착을 복잡하게 하는 외부 방사형 돌출부가 없어 콤팩트하며, 소음과 진동도 외부 리턴에 비해 낮다. 애플리케이션 인터페이스에서 볼 너트 플랜지는 볼 너트를 부하에 부착한다. 스크류형 및 원통형 볼 너트가 대안으로 많은 옵션이 있다. 애플리케이션 인터페이스 요구사항을 달성하기 위해 대부분의 구성에 베어링 지지대 및 맞춤형 끝 가공을 사용할 수 있다. 환경 복원력(Environmental resilience)은 볼 스크류 선택에 영향을 줄 수 있는 또 다른 요소이다. 일부 솔루션은 어셈블리를 오염 물질로부터 보호하고 윤활유를 포함한 표준 와이퍼 키트를 제공한다. 다양한 환경 조건을 견디는 재료 및 코팅 옵션이 제공된다. 인치 또는 미터법 스케일의 선택은 애플리케이션에 따라 결정될 수 있으므로 프로세스 초기에 이에 대한 선택을 하면 옵션이 상당히 제한될 수 있다. 예를 들어, 인치 스케일로 시작하면 운송 등급 애플리케이션에만 사용할 수 있기 때문에 고정밀 요구사항을 해결할 수 없다. 운송 등급 정확도만 필요한 애플리케이션에서는 고정밀 미터법 스케일 볼 스크류를 사용할 수 있다. 또한 외부 볼 리턴 시스템을 사용하여 볼 베어링을 재순환시킬 수 있기 때문에 인치 등급 볼 스크류가 더 나은 선택이 될 수 있다. 외부 복귀 시스템은 내부 재순환 시스템보다 소음이 더욱 크고 덜 매끄럽고 더 많은 공간을 소비하는 경향이 있지만, 제조 비용이 저렴하고 많은 볼 베어링을 사용할 수 있으므로 하중 지지 용량 또는 기대 수명이 늘어난다. 9. 취급 및 유지관리 요구사항 볼 스크류는 설치 전에 조심스럽게 다뤄야 한다. 볼 베어링에 대한 충격은 브리넬링(brinelling) 또는 균열을 통해 베어링 레이스를 손상시킬 수 있고, 스크류의 높은 하중이나 휘어짐으로 인해 구부러질 수 있다. 파편과 오염으로 인해 재순환 트랙이 막힐 수 있고 높은 습도나 비가 부식을 일으킬 수 있다. 따라서 윤활유를 바르고 어셈블리를 포장한 후 깨끗하고 건조한 장소에 보관해야 한다. 적절한 윤활은 볼스크류의 성능과 수명에 매우 중요하다. 윤활유는 볼과 홈 사이의 저항과 인접한 볼 사이의 미끄럼 마찰을 최소화하여 낮은 마찰을 유지한다. 윤활유는 계산된 볼 스크류의 수명을 보장한다. 오일은 제어된 유량으로 필요한 지점에 직접 적용할 수 있으며 볼 너트를 통과할 때 오염 물질을 제거한다. 또한 냉각을 제공할 수 있다. 반면 공정 유체를 오염시킬 가능성이 있기 때문에 적절하게 적용하려면 펌프와 계량 시스템이 필요하다. 그리스는 오일보다 저렴하고 사용 빈도가 낮으며 공정 유체를 오염시키지 않는다. 반면에 볼 너트 내부에 유지하기 어렵고 칩과 연마 입자와 볼 너트 이동 끝에 축적되는 경향이 있다. 기존 그리스와 비호환성도 문제를 일으킬 수 있으므로 주의 깊게 확인하는 것이 중요하다. 하중 전달 그리스는 어셈블리의 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있지만 전체 정격 하중은 변경되지 않는다. 일부 애플리케이션에서는 소음도 고려 사항이다. 큰 볼 스크류는 보다 큰 볼 베어링을 사용하므로 본질적으로 시끄럽다. 외부 반환 시스템은 내부 반환 시스템보다 더욱 시끄럽다. 스페이서 볼을 사용하면 볼 너트의 소음을 줄일 수 있지만 부하 용량을 줄일 수 있다. 그리스를 선택하고 적절하게 적용하면 전체 소음 수준도 줄일 수 있다. 백래시를 최소화하거나 제거하는 것도 어셈블리의 소음을 줄이는 방법이다. 유지보수 담당자는 기계의 정지시간을 방지하고 수명을 최대화하기 위해 볼 스크류를 주기적으로 검사해야 한다. 다음 점검을 수행하면 문제를 찾는 데 도움이 된다. 손상을 일으킬 수 있는 깨진 볼이나 부품 마모를 나타낼 수 있는 금속 조각이 있는지 확인한다. • 틈새를 측정하여 구성품 마모를 확인한다. • 레이스의 마모, 스폴링, 브리넬링 및 오염 여부를 확인한다. • 스크류가 윤활 처리되어 있고 오염 및 부식이 없는지 확인한다. • 모든 연결이 단단히 조여져 있고 진동 문제가 없는지 확인한다. • 구동 시스템을 점검하여 토크가 일정하고 볼 스크류가 부드럽고 조용하게 작동하는지 확인한다. • 소음 수준은 초기 작동시와 같아야 한다. 볼 너트의 이동은 부드럽고 규칙적이어야 한다. 소음 수준은 내부 손상을 의미한다. 결론 볼 스크류는 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 탁월한 방법을 제공한다. 애플리케이션에 올바른 볼 스크류를 적용하려면 설계 엔지니어가 각각의 장점과 기능을 고려해야 한다. 올바른 기술을 선택하면 설계 복잡성을 줄이고 성능을 개선하며 어셈블리의 전체 비용을 절감할 수 있다. 자료 제공: Thomson(www.thomsonlinear.com)

2022-08-08

갠트리 및 다축 시스템용 리니어 액추에이터 설계

Tolomatic XY 및 XYZ 시스템은 유연성, 속도, 효율성 및 처리량을 극대화한다. 갠트리 및 다축 시스템은 제조 공정에서 하중을 들어 올리고, 배치하고, 이동하는 데 사용한다. 즉, 갠트리는 모션 구성요소가 정렬되어 있는 프레임이다. 간단한 XY 축을 사용하는 2차원 또는 XYZ 축을 사용하는 3차원이 될 수 있으며, 하루에 한 번 또는 여러 번, 느리거나 빠르게 하중을 몇 파운드에서 수 천 파운드까지 전달한다. 이들은 픽 앤 플레이스 애플리케이션 등 다양한 자동화 프로세스에 사용된다. 기성품의 갠트리 시스템은 설치 공간이 보다 작은 분야에 적합하다. 그러나 큰 무게, 먼 거리 및 강한 힘을 위해서는 유연하고 높은 듀티 사이클의 다축 액추에이터 솔루션이 필요하다. 이 맞춤형 솔루션은 유연성, 속도, 효율성 및 처리량을 극대화하기 위해 만들 수 있는 무한한 조합을 형성한다. 갠트리는 다중 구성요소 시스템 • 리니어 액추에이터는 갠트리의 각 축을 따라 움직임을 구동한다. X 및 Y 축 액추에이터는 일반적으로 로드가 없는 액추에이터(벨트 구동 또는 나사 구동)로, 시스템 설치 공간 전체에서 부하를 이동하고 전달한다. 로드형 액추에이터는 Z 축 또는 수직, 상하 이동에 자주 사용한다. • 트랜지션 플레이트는 일반적인 모션 평면 또는 한 평면에서 다른 평면으로의 전환에서 액추에이터 간 링크를 형성한다. 여러 액추에이터가 서로 연결되어 있으며 시스템의 요구 사항과 복잡성에 따라 여러 가지 방법이 있다. • 보조 레일은 시스템이 부하를 관리하고 부하를 안내할 수 있도록 추가 지원을 제공한다. • 케이블 관리에는 벨트와 케이블이 포함되며, 모두 전기 또는 공압 전원 및 모션 프로파일과 일치하도록 구성된다. • 잭 샤프트(Jack shafts)를 사용하면 단일 모터 및 드라이브로 시스템을 구동할 수 있을 뿐만 아니라 액추에이터를 서로 동기화 할 수 있다. 부하가 크거나 먼 거리를 이동해야 하는 경우 단일 액추에이터와 레일로는 충분하지 않다. 단일 모터는 잭 샤프트를 통해 유사한 액추에이터에 연결된 마스터 액추에이터를 구동한다. 잭 샤프트는 흔들림과 진동을 방지한다. 갠트리 시스템은 여러 구성 요소를 포함할 수 있지만, 갠트리 시스템을 함께 구성하는 것은 생각만큼 복잡하지 않으며 몇 가지 간단한 단계를 실행하면 된다. • 컨셉은 냅킨 스케치 또는 CAD 레이아웃 개념으로 시작하여 로드 및 속도에 대한 요구사항을 설정하고 예산을 설정한다. • 주요 설계사항을 고려한다. * 이동 (속도, 사이클 시간, 정확도, 반복성, 드웰) * 공간 (작업 범위, 스트로크 길이, 환경 문제) * 하중 (무게, 하중 치수, 힘, 무게 중심) • 사이징 및 선정은 제공된 정보에 따라 모션 제어 파트너가 요구 사항에 가장 적합한 구성 요소를 결정한다. * 액추에이터 사이징은 갠트리 시스템에 대해 역방향으로 수행되고 Z 축에서 시작된다는 점에 주목해야 하며, 모멘트 하중은 Y 축과 X 축 순으로 계산된다. • 최종 설계는 매개 변수에 따라 CAD 레이아웃을 받는다. • 최종 조립이 승인되면 갠트리는 공장 조립, 통합 및 현장 테스트를 거친다. XYZ 갠트리 설계 초음파 용접을 위한 이 설계에는 긴 스트로크(12 피트 입/출 이송 테이블)가 있는 갠트리 시스템이 필요하다. 4 x 6 피트 작업 범위, 8 인치 Z 축 초음파 툴링 플레이트. 갠트리는 대형 의료 폐기물 봉투에 초음파 용접하는 데 사용한다. 이 분야의 초음파 용접 공정은 공압 액추에이터를 사용했는데, 새 설정 마다 수동 조정이 필요했다. 빠르고 반복 가능한 포지셔닝 제어가 부족하여 용접 및 치수 부정확성이 발생하고 지연이 발생하여 생산 시간이 느려지고 불량률이 높아졌다. 해결책은 이송 테이블에서 장거리 초음파 툴링 헤드를 안팎으로 운반할 때 일관된 성능을 제공하는 효율적인 전기 모션 제어 갠트리를 설계하는 것이었다. 스트로크가 길고 in-feed 및 out-feed 테이블 모두에 높은 하중을 전달할 수 있어서 B3W 선형 벨트 구동 액추에이터가 X 축 및 Y 축으로 선정되었다. 정확성과 반복성이 주요 관심사였기 때문에 5축 모두에 앱솔루트 엔코더가 있는 서보 모터가 선정되었다. IMA33 리니어 서보 액추에이터는 통합 서보 모터 설계로 모터 및 구동 시스템에서 포스 피드백(force feedback)을 제공하여 용접 프로세스 전체에서 속도와 위치 일관성을 보장하기 위해 Z에 배치하였다. 전기 구동 갠트리는 빠르고 정확하며 반복 가능한 초음파 용접을 제공하며 수동 조정으로 인한 부정확성과 압축 공기와 관련된 높은 비용을 없앤다. 갠트리는 또한 제품 스크랩을 줄이고 전체적으로 기계 사이클 시간과 제품을 증가시킨다. XY 갠트리 설계 팔레 타이징 및 슬립 시팅(slip-sheeting)을 위한 이 디자인에는 72 인치 수평 및 62 인치 수직 스트로크와 30초의 전체 사이클이 있는 갠트리 시스템이 필요하다. 수평 액추에이터는 수직 액추에이터의 하중(632 파운드)을 전달한다. 갠트리는 팔레트에 슬립 시트를 놓는데 사용한다. 포장, 번들 및 베일 제품용 팔레타이저 제조업체는 적재(또는 팔레타이징) 준비를 위해 팔레트 위에 슬립 시트를 배치하는 효율적인 방법을 찾고 있었다. X-Y 갠트리 프로세스는 슬립 시트를 팔레트의 여러 위치에 놓을 수 있도록 빠르고 반복 가능하며 안정적이어야 했다. MXP-P 프로파일 레일 공압 실린더는 필요한 부드러운 직선 운동을 실현한다. X 축에 장착된 MXB-P 액추에이터 하나가 이동하여 용지 위에 Y 축 MXB-P 액추에이터를 배치한다. X-Y 구성은 아래로 이동하고 시트를 집어 들고 팔레트의 새 위치로 위아래로 이동한다. 센서는 X 축 MXB-P 액추에이터의 수평 스트로크를 따라 신호 위치에 구현되었다. 갠트리는 장비 효율성을 높이고 모든 팔레트에 슬립 시트를 균일하게 배치하는 데 도움을 줬다. 자료 제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)

2022-08-08

리니어 스테이지 선택 시 고려 사항

IKO 정밀 가공 기술과 전자 장치가 통합된 리니어 스테이지는 대부분의 위치 지정 애플리케이션의 요구 사항을 충족할 수 있다. 설계 또는 어셈블리에 하중을 포지셔닝 하는 메커니즘이 필요한 경우 리니어 스테이지는 포지셔닝 스테이지가 적용되는 애플리케이션만큼이나 다양하다. 여러 종류의 리니어 스테이지가 다양한 산업 기계에 적합하다. 일부는 고속 응용 분야에 적합하고 다른 일부는 무거운 하중을 지원하기 위해 더욱 많은 추력을 제공할 수 있다. 또한 일부 설계에서는 나노 또는 마이크로 크기의 리니어 스테이지가 필요한 반면, 다른 설계에서는 클린룸 내부와 같이 기계에 대하여 매우 엄격한 요구 사항이 따르는 리니어 스테이지가 필요할 수도 있다. 성능이 최고인 리니어 스테이지 중 일부는 정밀 가공기술과 전자 장치를 통합한다. 이 장치는 리니어 모션 롤링 가이드와 베드 및 슬라이드 스테이지 사이에 볼 나사 또는 모터를 통합하고, 동일한 장치 내에 전기 제어 구성요소를 포함하여 설계 크기를 줄이고 조립 프로세스를 단순화하는 데 도움이 된다. 신중하게 선택하면 애플리케이션에서 오랫동안 수행할 리니어 스테이지를 찾을 수 있다. 다음은 다양한 유형의 리니어 스테이지와 일반적인 선택 기준에 대한 개요이다. 리니어 모터 구동 스테이지 이 리니어 스테이지는 베드와 슬라이드 스테이지 사이에 AC 리니어 모터를 통합했으며, 전자 및 반도체 제조에 사용되는 픽 앤 플레이스 및 조립 시스템과 같은 고속 기계에 적합하다. 리니어 모터 구동 스테이지는 정확도가 높고 응답이 빠르며 크기가 작다. 통합된 모터는 움직이는 필드 코일과 두 개의 고정자 자석 사이에 설정된 C형 요크로 구성된다. 이 배열은 자석에 의해 수직으로 작용하는 자속과 전류에 의해 코일 주위에 생성된 회전 자속이 코일을 수평 방향으로 강제 이동시킨다는 플레밍의 왼손 법칙을 따른다. 코일 전류는 자속 방향에 해당하는 방향으로 전환되어 빠르고 정확한 동작을 하도록 하고 지속적인 구동력을 생성한다. 통합 전자장치는 리니어 인코더의 피드백을 사용하여 현재 레벨을 제어하여 정확한 이동 및 포지셔닝을 보장한다. 기계 설계자가 리니어 모터 구동 스테이지에서 자주 요구하는 몇 가지 사항은 다음과 같다. • 안정성: 고급 서보 기술이 적용된 일부 리니어 모터 드라이브 스테이지는 10mm/s에서 ±1.78%의 속도 안정성과 ±1 μm 이하의 정적 안정성을 달성할 수 있다. • 긴 스트로크: 통합된 리니어 모션 가이드의 트랙레일에 따라 2,700mm 이상의 초장 스트로크를 실현할 수 있다. • 높은 추력과 높은 하중: 리니어 모터 구동 스테이지의 이동 필드 코일이 조밀하게 배열될 때 자속은 무거운 부하를 위치시키기 위해 매우 높은 추력을 생성할 수 있다. • 콤팩트한 크기: 리니어 모터 드라이브 스테이지가 콤팩트한 크기로 제공된다. 통합된 네오디뮴 자석은 작은 크기에서도 큰 추진력과 고속 응답을 제공하는 데 도움이 된다. 이러한 리니어 스테이지 중 하나인 IKO International의 NT38V10 나노 리니어 스테이지는 단면 높이가 11mm, 너비가 38mm, 길이가 62mm이다. 볼스크류 구동 리니어 스테이지 볼스크류로 구동되는 스테이지는 우수한 추력과 높은 강성을 제공하며 다양한 애플리케이션에서 정확한 포지셔닝을 제공한다. 또한 높은 속도와 낮은 마찰로 인하여 효율적인 작동이 가능하다. 슬라이드 스테이지는 볼 스크류 드라이브 리니어 스테이지에 강성과 추력 성능을 제공한다. 슬라이드 스테이지 내에서 2열로 배열된 대구경 강구는 궤도면과 4점 접촉하여 변동 하중이나 복잡한 하중에서도 고정밀도를 유지할 수 있다. 강성을 높이기 위해 가해지는 하중과 모멘트에 따라 2개의 슬라이드 스테이지를 트랙 레일에 장착할 수 있다. 많은 볼 스크류 드라이브 리니어 스테이지에는 U자형 트랙 레일이 있어 모멘트 하중과 비틀림에서 강성을 강화한다. 이 트랙 레일은 엔지니어에게 유연성을 폭넓게 제공하기 위해 기계의 구조 빔으로 사용할 수 있다. 일부 U자형 리니어 스테이지는 베드에 센서를 장착하기 위한 특수 홈과 고강도 재료 덕분에, 작은 크기에도 설계를 추가하지 않고도 높은 정밀도를 유지하는 경량의 로우 프로파일 모델로 제공된다. 볼 스크류 드라이브 리니어 스테이지는 다양한 스타일과 옵션으로 제공된다. 다음은 특정 볼 스크류 리니어 스테이지에서 충족하는 요구 사항들이다. • 긴 스트로크: 스테이지 너비는 15~420mm, 스트로크 길이는 최대 1,350mm 까지 가능하다. • 높은 정확도와 강성: 주철과 같은 재질로 만든 스테이지 베드는 높은 강성을 제공할 뿐만 아니라 뛰어난 진동 감쇠 기능을 제공한다. 안정성, 정확성 및 부하 용량을 추가하려면 스테이지 베드에 병렬로 배열된 통합 리니어 가이드를 선택하면 된다. • 콤팩트한 크기/마이크로 포지셔닝: 단면 높이가 낮고 폭이 좁은 소형 및 초소형 스테이지는 빠른 가감속과 우수한 앤티크리프(anti-creep) 특성이 필요한 애플리케이션에 높은 정확도를 제공할 수 있다. 일부 초소형 스테이지는 외부 치수를 변경하지 않고 소형 센서를 수용할 수 있다. • 특수 환경: 많은 리니어 스테이지 제조업체는 세척 공정과 같은 열악한 환경을 위해 특별히 제작된 제품을 제공한다. 주요 구성요소는 일반적으로 고강도 알루미늄 합금과 스테인리스강으로 만들어진다. 클린룸 요구사항을 충족하도록 특별히 설계돼 분진을 방지하기 위한 덮개를 포함할 수 있다. • 맞춤형의 치수 및 추가 옵션: 정확도 요구사항에 따라 설계자는 스테이지 길이, 모터 또는 볼 나사 유형 및 센서 옵션을 지정하여 리니어 스테이지를 사용자 정의할 수 있다. 추가 사용자 정의 옵션에는 플랜지 및 브리지 커버, 스테이지의 전체 길이를 줄이기 위한 모터 폴드백, 스테이지에 이물질이 들어가는 것을 방지하는 벨로우즈, 부식을 방지하는 블랙 크롬 및 X-Y 스테이지 구성을 쉽게 만드는 브래킷과 같은 표면 처리 및 마감이 포함된다. 특성화된 리니어 스테이지 애플리케이션에서 기존의 리니어 스테이지가 해결할 수 없는 문제가 발생하는 경우가 있다. 일부 기계는 특정 작동 각도에서 직선 운동을 회전 운동으로 변환해야 한다. 정렬 스테이지는 스테퍼 및 AC 서보 모터와 함께 작동할 수 있으며 교차 롤러 베어링을 통합하여 정확한 각도 보정을 제공한다. 다축 애플리케이션을 위한 정밀 리니어 스테이지 슬라이드에 장착할 수 있다. U자형 리니어 스테이지에 장착할 수 있는 정렬 모듈은 X, Y, X-Y, 중심 기준 각도 보정을 제공하거나 무작위로 회전하는 견고한 크로스 롤러 베어링과 리니어 가이드를 통합한다. 크로스 롤러 베어링과 리니어 가이드를 사용하는 또 다른 장치인 얼라인먼트 스테이지는 X-Y-θ 포지셔닝을 로우 프로파일 유닛에서 탁월한 분해능으로 제공할 수 있으며 X-Y 또는 X-Y-θ 포지셔닝도 가능하다. 정확한 상하 위치 지정을 위해 승강 스테이지가 작업을 수행하고 리니어 인코더와 함께 사용할 때 폐쇄 루프 제어 덕분에 높은 반복성과 정확도를 달성한다. 또 다른 유형의 리니어 스테이지는 스테퍼 모터로 구동되며, 한 쌍의 리니어 모션 롤러 가이드와 함께 타이밍 벨트를 슬라이드 스테이지의 메커니즘에 병렬로 통합한다. 이러한 구성요소는 고속 및 가속과 긴 스트로크 길이가 필요한 애플리케이션에 안정적이고 신뢰할 수 있는 성능을 제공한다. 애플리케이션의 요구사항을 충족하는 리니어 스테이지 하중을 이동하고 가이드 할 때 선택한 포지셔닝 메커니즘은, 특정 애플리케이션에 적합한 특성을 제공하면서 정확하고 정밀하게 수행돼야 한다. 장기간 유지 보수가 필요 없이 고정밀 작동을 제공할 수 있고 그러한 모션 구성요소를 제공한 이력이 있는 제조업체와 협력해야 한다. IKO International은 정밀 가공기술과 전자장치를 사용하여 대부분의 애플리케이션을 만족시키는 다양한 리니어 스테이지 라인업을 제공한다. 올바른 모션 구성 요소를 제공하는 공급업체를 신중하게 선택하여 장비에서 오랫동안 작동할 리니어 스테이지를 선정해야 한다. 자료 제공: IKO(www.IKO.com)

2022-08-08

에이디링크의 3D 등거리 나선형 모션 솔루션으로 실버 딥 공정의 재료비는 줄이고 수율은 높이다

ADLINK 전자 기기의 소형화로 인해 크기에 대한 제약이 급격히 증가함에 따라 부품 제조업체는 현재 생산 공정의 신뢰성 및 생산성을 재평가해야 한다. 새로운 기기에서는 이전 세대 기기에 비해 더 작고 얇아진 패키지에 약 50% 더 많은 구성요소를 내장한다. 예를 들어 4G 휴대폰은 패시브 부품이 약 800~1,100개였는데, 새로운 5G 휴대폰은 그 수가 1,400~1,800개로 늘었다. 이러한 이유로 소형 부품의 고산출 및 고수율은 부품 제조업체, 특히 패시브 부품 공장에서 점점 더 중요한 문제로 대두되고 있다. 더 작아진 패시브 부품은 종단 전극(termination electrode)이 그만큼 더 섬세해지면서 허용 오차 역시 더 엄격해졌다. 기존의 수직 실버 딥 공정은 부정확한 정렬, 고르지 않은 표면, 낮은 수율 및 기타 기술적 문제에 취약하기 때문에 이러한 소형 부품을 제작할 때는 기대 수준을 충족할 수 없다. 기존의 수직 실버 딥 공정에서는 실버 페이스트를 완벽하게 작업할 수 없다. 그래서 일반적으로 요철, 반달 모양이 생기거나 중심은 두꺼운데 가장자리는 얇아지는 등의 문제가 생긴다. 이 경우 실버 페이스트 낭비 외에도 다른 시급한 문제들이 발생한다. 특히 표면이 거칠거나 모양이 특이한 부품의 경우 기존 기술을 사용하면 부품 표면과 실버 페이스트 사이에 틈이 생기기 쉽다. 이러한 틈은 베이킹 공정이 완료된 후 부품의 전기적 성능에 해로운 영향을 미친다. 비틀림이 있는 딥 에이디링크의 3D 등거리 나선형 모션 기술은 실버를 고르게 바르는 실버 디핑 공정에 나선형 모션을 추가함으로써 수직 실버 딥의 비효율적인 요인들을 제거한다. 나선형 모션 프로세스는 디핑 프로세스 동안 부품의 표면에 균일한 응력을 가하여 원치 않는 틈을 줄이고 전기 접촉을 보다 일관되게 만들며 성공적으로 생산 수율을 높인다. 결과적으로 고르지 않은 반달 모양을 제거하는 한편 정확한 양의 실버 페이스트 작업으로 일관되게 평평하게 만들고, 균일하게 코팅하고, 실버 페이스트 낭비를 줄인다. 에이디링크의 관찰에 따르면, 패시브 부품 공장의 실버 딥공정에서 3D 등거리 나선형 모션을 사용할 경우 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다. • 실버 페이스트를 적게 바름으로써 재료비가 절감된다. • 일관된 전기 접촉으로 생산 수율을 높일 수 있다. 장점 에이디링크 제품은 전문 지식을 바탕으로 하드웨어와 소프트웨어가 모두 포함된 패키지를 제공함으로써 3D 등거리 나선형 모션을 간단하게 구현할 수 있다. 단일 API가 등거리나선형 모션을 실행하는 데 필요한 모든 패키지를 제공하기 때문에 처음부터 복잡한 프로그래밍이 필요 없다. 복잡한 수학 공식이나 3D 모델이 전용 ARM 프로세서에서 효율적으로 처리되므로 CPU 과부하를 줄이고 개발 비용을 절감하는 한편 구현 시간을 앞당길 수 있다. 기본 설정이 모든 시나리오에 가장 적합한 것은 아니므로, 에이디링크에서는 기본에서 고급에 이르기까지 다양한 API를 제공한다. APS_spiral_ca 및 APS_spiral_ce API를 가장 일반적으로 사용하는데, 이들은 사전 설정된 모션 속도를 활용한다. 네 가지 고급 API가 시작 속도, 최대 속도, 가속, 감속 및 기타 파라미터를 세부적으로 제어한다. 3D 등거리 나선형 솔루션에는 다음 에이디링크 제품을 활용한다. • AMP-204C/208C • PCI-8254/8258 • APS(Automation Product Software: 자동화 제품 소프트웨어) 기능 라이브러리 AMP-204C/208C와 PCI-8254/8258은 포괄적인 응용 기능을 갖춘 고성능, 고정밀 중앙 집중식 모션 컨트롤러로서, 반도체와 디스플레이는 물론 전통적인 제조공정에서도 사용한다. 이러한 컨트롤러는 에이디링크의 APS 기능 라이브러리를 통한 여러 가지 핵심 기능을 제공함으로써 구현 시간을 단축한다. 그 결과 런 칭 시기를 앞당길 수 있다. 패시브 부품 산업의 가까운 미래에는, 5G 휴대폰과 전기 자동차, IoT 제품이 성장을 촉진하는 핵심 부문이 될 것이다. 소형화, 고성능화, 통합 부품이 제품 개발의 중요한 트렌드로 자리 잡았다. 이에 따라 에이디링크는 특히 실버 딥 공정상 문제를 해결하며 3D 등거리 나선형 모션 솔루션을 출시했다. 이 솔루션을 채택하는 패시브 부품 공장은 재료비를 절감하고 생산 수율을 높이며 기술적 문제를 성공적으로 극복할 수 있다. 자료 제공: ADLINK(www.adlinktech.com/kr)

2022-08-08

TI,안전한 모션 제어를 위한 최적화된 솔루션

TI 안전한 모션 제어를 위한 최적화된 솔루션 산업용 모터 드라이브의 기능적 안전을 보장하기 위해 설계자는 항상 하드웨어와 소프트웨어를 결합하여 사용했다. 오늘날 설계는 마이크로 컨트롤러(MCU), 마이크로 프로세서 장치, 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이 및 애플리케이션 별 집적회로와 같이 점점 복잡한 하드웨어로 구성되고 있다. 또한 소프트웨어에 정교한 제어 알고리즘과 상태 머신 및 사용자 인터페이스 기능이 포함됨에 따라, 하드웨어 및 소프트웨어 통합의 복잡성을 평가하고 구현하는 것은 설계자에게 어려운 일이 됐다. 여기에 시스템 수준의 안전구현을 위해 막대한 개발 리소스가 필요한 목표 SIL(안전 무결성 수준)을 설정하고 이를 달성하기 위한 전용 하드웨어 및 소프트웨어 진단 기능을 갖춘 하위 시스템 분할이 필요하다. 하드웨어 내결함성(HFT) 요구 사항이 1인 높은 SIL의 경우, 지연 시간이 짧은 폐쇄 제어 루프 및 새로운 멀티 코어 ARM 기반 시스템 온칩을 위한 안전 요소로 Texas Instruments(TI) 비 ARM? 32 비트 C2000™ MCU를 기반으로 하는 듀얼 칩 솔루션을 권장한다. TI의 TUV 인증 개발 프로세스는 안전을 달성할 수 있다. 이 프로세스는 고장으로 이어질 수 있는 결함의 가능성을 체계적으로 관리하고 완화하는 데 도움이 된다. 두 장치 모두 높은 SIL에 대한 안전 하드웨어 및 소프트웨어 진단 기능을 제공한다. 산업용 드라이브 소개 포장, 자재 취급, 식음료 기계와 같은 자동화 부문에서는 산업용 드라이브를 사용한다. 이러한 가변 속도 전기 구동 시스템은 로봇 및 코봇 그리고 자율 유도 차량이 사람과 상호 작용하는 스마트 공장의 인간과 기계의 안전에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 환경에서는 전기, 전자 또는 기계 고장 시 작업자와 기계를 위한 안전 및 보호가 필요하다. 전원 공급, 고전압 모터 및 기계의 안전한 작동을 위해 시스템 설계자 및 안전 관리자는 다음의 국제 표준에 따라 신제품 설계에 대한 안전 요구 사항을 고려해야한다. • IEC(International Electrotechnical Commission) 61800-5-2 : 가변 속도 전력 구동 시스템에 대한 안전 요구 사항 • IEC 61508에 정의된 안전 무결성 수준 • 국제 표준화기구(ISO 13849) 기계 안전 표준에서 정의한 성능 수준(PL) • 코봇을 위한 표준 사양인 ISO/기술 사양 15066 • American National Standards Institute/Industrial Truck and Standards Foundation B56.5-2012, 무인 자동 유도 산업용 차량에 대한 안전 표준 산업용 드라이브 토폴로지 산업용 드라이브는 제어 및 통신 작업을 처리하는 전력 스테이지와 처리 장치로 구성된다. 전력 단의 전압 레벨에 따라 설계자는 고온 및 저온(기본 및 강화 절연) 사이의 절연 장벽을 정의하여 시스템을 분할한다. 절연은 작업자의 감전과 고전압 드라이브의 고가의 집적 회로 손상을 방지하기 때문에 중요하다. 핫 사이드에서 감지해야 하고 컨트롤러에 의해 콜드 사이드에서 작동되는 신호를 보호해야 한다. 전통적으로 컨트롤러는 그림 1과 같이 콜드 사이드에 위치한다. 산업용 필드 버스와 같은 통신 인터페이스는 고전압 사이드에서 절연되어야 한다. 2개의 MCU를 기반으로 하는 안전 모듈을 추가하면 SIL 3/PL-e를 달성할 수 있다. 그림 1을 자세히 살펴보면, • 핫 사이드(전력 단계)에 실시간 컨트롤러를 설정하고 콜드 사이드의 애플리케이션 및 통신 컨트롤러에 대한 직렬 경로를 통해 강화된 절연을 사용하여 아키텍처를 단순화할 수 있다. • 특히 폐쇄된 하우징(충격 드라이브)의 접합 온도는 MCU의 전원 켜기 시간에 직접적인 영향을 미친다. • 서보 드라이브의 경우 엔코더와 입력/출력 모듈은 콜드 사이드에 있으며 시스템 수준으로 안전하게 구현한다. 시스템의 안전 인증에는 시간과 리소스가 필요하므로 출시 시간을 단축하는 효과적인 방법은 설계를 여러 개 하는 대신 플랫폼을 정의하는 것이다. TI C2000 MCU를 사용한 실시간 제어 실시간 제어를 위한 MCU는 가장 낮은 대기 시간으로 여러 작업을 병렬로 관리해야 한다. 이러한 모든 작업에 단일 코어를 사용하는 것은 어렵고 초당 백만 개의 명령(MGHz)을 늘려서 해결할 수 없다. ARM 기반 시스템은 내부 메모리에 액세스하는 동안 인터럽트 처리 및 대기 상태로 인해 지연이 발생한다. TI C2000 MCU는 그림 2에 표시된 것처럼 항상 메인 코어를 사용하지 않고 실시간 작업을 병렬로 실행하기 위해 칩 온칩 다중 코프로세서 및 로직 블록을 사용한다. 작동은 어떻게 되는가? CLA(Control Law Accelerator)라는 전용 코프로세서 장치는 주 중앙 처리 장치(CPU)를 사용하지 않고 제어 루프를 실행한다. 통합 제어 로직 블록(CLB)은 인코더 피드백을 디코딩하는 위치 관리자로 사용된다.(/br) 삼각 수학 단위(TMU, trigonometric math unit)는 14주기의 각도 위치에 대한 atan2를 계산한다(ARM Cortex M4 프로세서에는 100+주기가 필요함). 이 MCU는 1μs 미만의 빠른 전류 루프를 실행할 수 있다. 3상 모터를 회전시키기 위한 필드 지향 제어에 사용하는 소프트웨어 알고리즘(그림 3)을 살펴보면, C2000 MCU는 정밀 폐쇄 제어 루프를 위해 피드백을 감지, 작동 및 디코딩하는데 온칩 리소스를 사용한다. C2000 MCU를 통한 실시간 제어의 안전성 TI는 TÜV SÜD에서 독립적으로 평가 및 인증한 QRAS AP00210 하드웨어 개발 프로세스를 사용한다. C2000 MCU 기반 SafeTI™ 자동차 및 산업용 제품을 개발하여 ISO 26262 및 IEC 61508 표준에 따라 ASIL(Safety Integrity Level) D/SIL 애플리케이션의 체계적인 결함 커버리지를 지원한다.(/br) C2000 MCU 기반 SafeTI 제품은 시스템 및 무작위 하드웨어 오류를 모두 관리하여 최고의 표준을 충족하도록 설계됐다.(/br) 300개가 넘는 내장 안전 메커니즘을 갖춘 C2000 MCU 기반 SafeTI 제품은 그림 4와 같이 모터 제어 작업을 처리하여 구성 요소 수준에서 ASIL B/SIL 2의 임의 하드웨어 기능을 충족하는 데 필요한 진단 범위를 제공한다.(/br) 기능 안전 매뉴얼은 ASIL D/SIL 3까지 준수 시스템을 개발하는 데 도움이 되는 안전 메커니즘에 대한 자세한 정보를 제공한다. C2000 MCU 기반 조정 가능 오류 모드, 효과 및 진단 분석(FMEDA)은 FMEDA를 애플리케이션 별 요구에 맞게 조정하여 유연성을 향상시킨다. C2000 MCU 기반의 튜닝이 가능한 FMEDA 시스템 개발 단계의 FMEDA는 진단 범위 측면에서 안전 메커니즘과 다양한 오류 모드 및 관련 효과에 대한 자세한 분석을 제공한다. C2000 MCU 기반 FMEDA는 조정 가능하다는 추가 이점을 제공하므로(그림 5), FMEDA를 사용자 고유의 애플리케이션 요구 사항에 맞게 조정할 수 있다. 이것은 시스템 수준에서 안전을 구현하는 데 중요한 부분이다. SafeTI 진단 라이브러리 SafeTI 진단 라이브러리는 안전 매뉴얼에 설명된 안전 메커니즘을 구현하고 오류 주입 테스트 및 제어 루프 프로파일링을 가능하게 하는 호출하기 쉬운 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스를 제공한다. 함께 제공되는 규정 준수 지원 패키지는 자동차, 산업 및 기타 응용 분야에 대한 광범위한 표준 준수를 위해 필요한 문서 및 보고서를 제공한다. 제품 기능 맞춤 기능을 사용하면 최종 애플리케이션에서 사용하는 MCU의 부품 및 하위 부품만 선택하여 기능 안전 관련인 경우 "예"로 표시하고 그렇지 않은 경우 "아니오"로 표시할 수 있다. C2000 MCU FMEDA는 온칩 리소스의 기본 사용률을 100%로 설정한다. 그러나 실제로 애플리케이션은 모든 주변 장치와 메모리를 사용하지 않을 수도 있다. 제품 기능 맞춤의 이점은 FMEDA에서 필요한 온칩 리소스를 쉽게 선택하여 최종 애플리케이션과 정확히 일치하는 결과를 얻을 수 있다는 것이다. FIT(Package Failure-in-Time) 추정 기능은 운영 임무 프로필과 관련이 있다. 애플리케이션의 운영 임무 프로필이 변경되고 FMEDA의 기본 설정이 더 이상 애플리케이션을 정확하게 나타내지 않는 상황이 생길 수 있다. 예를 들어, C2000 MCU FMEDA의 작동 프로필은 기본적으로 자동차 모터 제어 애플리케이션의 미션 프로필로 설정된다. MCU가 다른 애플리케이션에 사용된 경우 패키지 유형 및 최대 소비 전력과 같은 매개 변수도 변경되어 이에 따라 FMEDA를 조정해야 할 수 있다. FIT 추정 기능을 사용하면 응용 프로그램별 운영 프로필에 대한 값을 입력할 수 있으므로 사용자 정의 수준이 가능하다. 안전 매뉴얼에서 설명하는 메커니즘을 구현하면 MCU 수준에서 하드웨어 안전 요구 사항을 충족한다. 그러나 진단 범위가 있는 기존 안전 메커니즘은 안전 요구 사항이 변경되는 상황에서 적절하지 않을 수 있다. 이러한 상황에서는 MCU가 새로운 기능 안전 목표를 충족하기 위해 추가 안전 메커니즘을 정의해야 할 수 있다. 안전 메커니즘 조정 기능을 사용하면 사용 가능한 모든 안전 메커니즘을 볼 수 있다. 그러면 최종 애플리케이션의 기능적 안전 요구 사항에 따라 필요한 것을 선택할 수 있다. 사용자 지정 진단 기능은 안전 메커니즘 조정의 확장이며 다음에 따라 해당 진단 범위 값을 입력할 수 있다. 응용 프로그램에 구현된 안전 개념은 안전 메커니즘이 애플리케이션에 충분하지 않은 상황에서 사용자 정의 진단을 정의할 수 있는 옵션을 제공하여 유연성을 추가하기 때문에 중요한 기능이다. 실시간 제어를 위한 C2000 MCU 안전 개념 3-4개의 통합 고속 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 모듈(3.4MSPS에서 12 비트 또는 1MSPS에서 16 비트)을 갖춘 C2000 MCU는 홀센서를 감지하고 시그마-델타 신호를 분로 및 복구하는 기능을 갖추고 있다. 코 프로세서 CLA는 두 번째 감지 채널을 실행하고 직접 메모리 액세스(DMA)를 사용하여 C2000 메인 코어와 독립적으로 결과를 전송할 수 있다. CLB는 두 채널의 결과를 비교하고 오류 응답을 생성할 수 있다. HFT = 1 인 경우 Sitara ™ RF5 안전 하위 시스템은 직접 안전 작업 및 안전 토크 끄기를 실행하거나 모터에 안전 제한 속도를 설정하는 외부 안전 모니터 역할을 할 수 있다. C2000 MCU로서 안전하게 작동 감지와 매우 유사하게 독립 채널에 의해 생성된 펄스 폭 변조기는 논리적 비교를 위해 제어 로직 블록으로 다시 라우팅되어 오류 응답을 발생 시키거나 안전한 기능을 위한 듀티 사이클을 조정할 수 있다. C2000 MCU를 통한 안전한 피드백 안전 피드백을 구현하는 방법에는 두 가지가 있다. 안전 인코더에 의존하거나 두 개의 독립적인 채널로 위치 및 속도를 계산한다. C2000에는 모터 위치와 속도를 측정하기 위한 두 번째 채널로 ROM의 소프트웨어 관찰자만이 아니라 아날로그 및 디지털 인코더를 모두 지원하는 위치 관리자가 있다. C2000 MCU를 사용한 안전한 다축 제어 다축 실시간 제어의 경우 교차 감지를 위한 스마트 센서로 저렴한 C2000 MCU 파생 제품을 사용할 수 있다. 이러한 스마트 센서는 FSI(그림 6) 또는 이더넷(미디어 독립 인터페이스 및 감소된 미디어 독립 인터페이스)을 통해 Sitara 시스템 온 칩(SoC)으로 격리 장벽을 통해 통신할 수 있다. C2000 MCU의 추가 내장 진단 기능 여러 코프로세서를 사용하여 여러 실시간 작업을 병렬로 실행하려면 C2000 장치가 전용 및 공유 정적 랜덤 액세스 메모리(SRAM)의 혼합 인 C2000 장치와 같이 장치에서 안전 구현 기능의 간섭을 방지하기 위해 추가 내장 기능이 필요하다. 공유 SRAM은 CPU, CLA 및 DMA와 같은 다른 마스터에서 쓰기, 읽기 및 가져오기 액세스를 제어하도록 구성할 수 있다. 이를 통해 시스템 통합자는 애플리케이션에 따라 각 마스터에 대한 메모리 할당 크기를 유연하게 조정할 수 있다. 그러나 이것은 또한 간섭 위험을 초래할 수 있다. 임베디드 실시간 분석 및 진단(ERAD): ERAD 모듈은 CPU 버스 액세스를 모니터링하는 버스 비교기 장치와 이벤트를 계산하는 카운터 장치를 구성하여 CPU 및 MCU의 기타 로직에서 오류를 감지할 수 있는 시스템 분석 기능을 제공한다. 애플리케이션 소프트웨어에서 액세스할 수 있는 이 모듈은 향상된 버스 비교기 장치와 벤치 마크 시스템 이벤트 카운터 장치로 구성된다. 성능이 향상된 버스 비교기 장치는 다양한 CPU 버스를 모니터링하고 이벤트를 생성한다. 이러한 장치에서 모니터링하고 활동을 감지하여 중단 점, 감시 점 또는 인터럽트(RTOSINT)를 생성할 수 있다. 이중 구역 코드 보안 모듈(DCSM): DCSM은 C2000 장치에 통합된 보안 기능이다. 권한이 없는 사용자의 온칩 보안 메모리에 대한 액세스 및 가시성을 차단하여 독점 코드의 복제 및 리버스 엔지니어링을 방지한다. 각 CPU 하위 시스템에는 코드 보호를 위한 자체 DCSM이 있다. DCSM은 서로 다른 SIL이 있는 기능이 서로 다른 보안 영역(zone1, zone2 및 비보안 영역)에서 실행되고 방화벽 역할을 하여 한 보안 영역에서 다른 영역으로의 간섭으로 인한 위험을 완화하는 기능 안전에 사용할 수 있다.(/br) 메모리 액세스 보호 체계: 권한이 없는 마스터(CPU, CLA, DMA) 중 하나가 SIL이 더 높은 안전 기능에서 사용하는 중요한 변수가 포함된 메모리 위치에 실수로 액세스하거나 손상시킬 수 있다. 메모리 액세스 보호 로직은 로컬 및 글로벌 공유 SRAM의 인스턴스 별로 구현되어 쓰기, 읽기 또는 페치의 액세스 위반을 감지한다. 각 플래그 비트가 설정되고 인터럽트가 CPU에 생성되어 사용자에게 간섭 가능성을 경고하고 장치의 안전한 상태를 달성하는 데 도움이 된다. 액세스 위반 정보는 소프트웨어가 추가 수정 조치를 취할 수 있도록 레지스터에 캡처 된다. 플래시 메모리: 플래시 메모리는 보안 리소스이며 각 섹터는 특정 보안 영역에 할당될 수 있다. 각 영역에는 고유한 코드 보안 모듈(CSM) 암호가 있다. 예를 들어 읽기 및 쓰기 액세스는 영역 2에 할당된 메모리에서 실행되는 코드에 의해 영역 1에 할당된 리소스에 액세스 할 수 없으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 보안되지 않은 메모리 또는 다른 영역의 메모리에서 보안 플래시 섹터를 프로그래밍하거나 삭제하기 전에 플래시 섹터 영역을 잠금 해제해야 한다. 플래시 메모리에서 삭제 및 프로그램 작업을 위해 하나의 플래시 펌프를 공유한다. 영역 1과 영역 2 사이의 충돌을 방지하기 위해 세마포어(semaphor) 메커니즘이 제공된다. 영역은 해당 영역에 할당된 플래시 섹터에서 지우기 및 프로그램 작업을 성공적으로 완료하기 위해 이 세마포어를 잡아야 한다. 플래시 섹터를 프로그래밍하거나 삭제하기 위해 낮은 무결성 수준으로 구현된 오류 또는 결함이 있는 소프트웨어 코드에 의한 우발적인 시도가 차단되어 간섭을 방지한다. • 중요 구성 레지스터 보호: 안전 기능의 무결성은 전원과 클록, 리셋 등을 관리하는 MCU의 중요 구성 레지스터에 따라 달라진다. 동일한 하위 SIL 하드웨어에 공존하는 결함있는 소프트웨어로 인해 중요 레지스터가 손상되면 안전 기능이 손상될 수 있다. 이 간섭은 방지되거나 감지되어야 한다. C2000 장치에는 보호된 레지스터에 대한 액세스를 활성화 및 비활성화하기 위해 특수 CPU/CLA 명령 EALLOW/MEALLOW 및 EDIS를 사용하는 EALLOW 보호 메커니즘으로 설계된 중요한 레지스터가 있다. 이 레지스터 보호는 시작 시 기본적으로 활성화된다. 보호되는 동안 CPU에 의해 보호되는 레지스터에 대한 모든 쓰기는 무시된다. 따라서 무결성 수준이 낮은 소프트웨어는 장치의 중요한 구성을 손상시킬 수 없다. 클록 소스 선택, PLL(Phase-Locked Loop) 곱셈, 사전 스칼라 및 사후 분할기와 같은 중요한 제어 레지스터의 무결성은 장치를 올바른 속도로 작동하는 데 필수적이다. 소프트웨어 결함으로 인해 이러한 레지스터가 손상되면 전체 시스템 성능과 안전성에 큰 영향을 미칠 수 있다. C2000 장치에서는 LOCK 필드를 구성하여 이러한 레지스터 중 많은 부분을 프로그래밍하고 잠글 수 있으며, 시스템이 재설정될 때까지 구성의 추가 프로그래밍을 방지할 수 있다. 또한 레지스터 정의에 포함된 특정 KEY 필드가 일부 중요한 제어 레지스터에 대한 쓰기를 보호하여, 쓰기를 활성화하거나 비활성화한다. 따라서 안전 기능에 영향을 미치는 낮은 무결성 수준에서 소프트웨어 간섭을 완화할 수 있다./ 주변기기: 장치의 주변 장치도 공유되는 리소스이다. 이들은 안전 기능을 위한 제어 및 통신 주변 장치와 같은 중요한 기능을 담당한다. C2000 장치는 CPU와 CLA, DMA간에 직각으로 여러 마스터에 의해 이러한 주변 장치에 대한 액세스를 제공한다. 주변 장치에 대한 액세스가 손상되어 더 낮은 ASIL 기능을 구현하는 마스터의 간섭 위험이 있다. 제어 주변 장치(ADC, 향상된 PWM, 시그마-델타 필터 모듈, 비교기 하위 시스템, 디지털-아날로그 변환기 및 프로그래밍 가능 이득 증폭기) 및 통신 주변 장치(컨트롤러 영역 네트워크, 직렬 주변 장치 인터페이스, 로컬 상호 연결 네트워크, 전력 관리 버스 및 FSI) 각 인스턴스의 마스터 액세스 제어 논리로 보호된다. 이 기능을 프로그래밍하면 특정 마스터의 액세스를 완전히 차단하여 낮은 ASIL 안전 기능으로 인한 간섭 가능성을 줄이거나 제거한다. Sitara PRU-ICSS와의 산업 통신 산업 통신을 위한 TI의 혁신은 AM335x, AM437x 및 AM57x 프로세서와 같은 Sitara 장치에 통합된 프로그래밍 가능 실시간 장치(PRU)-산업 통신 하위 시스템(ICSS)이다. 차세대 ICSS가 3개 있으며 각 ICSS에는 최대 250MHz에서 실행되는 PRU 4개가 있다. PRU는 캐시 및 파이프 라인이 없는 축소된 명령 집합 컴퓨터 코어로 결정성 있는 단일주기 처리를 가능하게 한다. {imgage7} PRU-ICSS는 Profibus, Profinet, EtherCAT, EtherNet/인터넷 프로토콜(IP), Sercos III 및 Powerlink와 같은 프로토콜을 수용 할 수 있도록 프로그래밍 가능한 다목적 산업용 이더넷 및 직렬 필드 버스 통신을 제공한다. 현재 세대의 PRUICSS는 100Mbps의 실시간 이더넷 데이터 처리량을 지원하는 동시에 31.25ms의 낮은 산업 프로토콜 사이클 시간을 달성한다. TSN(Time Sensitive Networking)으로의 산업 네트워크 진화를 위해 TI는 기존 ICSS 아키텍처를 추가 PRU 및 가속기로 업그레이드하여 보다 강력하고 확장 가능한 처리 솔루션인 PRU_ICSSG를 만들었다. PRU_ICSSG의 설계는 현재 PRU-ICSS 장치에 이미 구현된 산업용 이더넷 프로토콜의 소프트웨어 재작업을 강요하지 않는다. AM6x 프로세서에 통합된 차세대 PRU_ICSSG는 1Gbps 처리량을 달성하고 동일한 실시간 산업용 이더넷 프로토콜주기 시간을 제공한다. 총 1GHz의 결정론적 실시간 PRU 처리 기능, 일반적인 이더넷 처리 작업을 위한 하드웨어 가속기 및 증가된 고대역폭 메모리를 갖춘 PRU_ICSSG는 유연하고 새로운 표준에 대해 개방적이다. 각 PRU_ICSSG에는 산업용 스위치 구현을 기가비트 속도로 지원하는 RGMII(Reduced Gigabit Media Independent Interface) 기반 이더넷 포트가 2개 있다. RGMII를 지원하는 추가 이더넷 미디어 액세스 컨트롤러도 있다. 전체적으로 단일 AM6x는 이더넷 포트 7개를 동시에 활성화할 수 있다. AM6x는 핀 호환 가능 쿼드 및 듀얼 코어 Arm? Cortex?-A53으로 제공된다(그림 7). TI 는 AM6x 프로세서 설계에 몇 가지 독창적인 투자를 하여 안정성을 높이고 더 높은 수준의 기능 안전에 도달했다. AM6x는 시스템의 더 긴 수명에 관심이 있는 사람들을 위해 연장된 수명 추정치와 함께 최대 접합 온도에서 최소 1 년의 작동을 제공한다. AM6x 프로세서에는 기능적으로 안전한 시스템을 구현할 수 있도록 TI Hercules ™ 제품군의 듀얼 코어 R5F 기반 MCU 기술이 통합되어 있다. 기능 안전 및 향상된 신뢰성을 위한 향상된 기능 Sitara AM6xxx SoC는 최대 SIL 3까지 혼합 임계 기능 안전 애플리케이션을 위해 설계되었다. 마이크로 컨트롤러 서브 시스템(MCUSS)은 Hercules 기능 안전 MCU에 대한 TI의 경험을 활용하여 MCU가 SoC 외부에 있는 것처럼 SoC 내에 "안전 아일랜드(safe island)"를 생성한다(그림 8). MCUSS는 전력, 클록, CPU, 메모리 및 상호 연결에 중점을 둔 하드웨어 진단 조치로 강력하게 보호된다. MCUSS 세이프 아일랜드의 올바른 작동이 설정되면 이 영역의 로직이 SoC의 다른 영역에서 진단 범위를 제공할 수 있다. MCUSS는 메인 SoC 도메인이 충돌하더라도(다시 부팅 할 수 있음) 활성 상태를 유지한다. 이러한 분할 및 분리는 효과적인 기능 안전 측정 기준을 제공하는 동시에 전반적인 BOM을 최소화하는 이점을 제공한다. 기능 안전 작업의 분할과 안전하지 않은 소프트웨어와의 안전 분리는 유연하고 애플리케이션에 따라 달라진다. 어떤 경우에는 안전한 운영 체제를 사용하는 것이 유용하다. MCUSS와 메인 SoC 도메인 간의 전력 및 클록 분리는 간섭에서 자유로워야 한다. 각 도메인에는 자체 별도의 클록 소스, 별도의 PLL 및 독립적인 워치독(watchdog)이 있다. MCUSS와 기본 SoC 도메인 간에는 공유 전력 레일이 없다. 각 도메인에는 자체 전압 소스가 있다. 기능 안전이 활성화된 AM6x 기기의 경우 듀얼 R5F 코어를 잠금 단계 모드로 부팅할 수 있다. MCUSS 내의 모든 R5F 메모리 및 메모리는 단일 오류 수정 이중 오류 감지 오류 수정 코드(ECC)로 처리된다. 또한 모든 R5F ECC 메모리 블록에 오류 주입을 지원하는 통합 ECC 집 계기(코어 당 1 개)가 있어 안전이 중요한 애플리케이션의 ECC 기능을 테스트한다. 이 오류 주입 기능은 TI의 R5F 구현에 있어서 독창적이다. 기능 안전은 또한 Cortex-A53을 설계에 통합하는 데 도움이 되었다. L1 데이터 캐시(데이터 랜덤 액세스 메모리 [RAM]), L2 캐시(데이터 RAM 및 태그 RAM) 및 L1 스눕(snoop) 제어 장치 중복 태그에 대한 ECC 보호 기능이 있다. L1 명령 캐시(데이터 RAM 및 태그 RAM), L1 데이터 캐시(태그 RAM 및 더티 비트) 및 변환 lookaside 버퍼에 대한 패리티 보호 기능이 있다. TI는 또한 ECC 집계기를 사용하여 각 A53 코어에 대해 지원되는 모든 ECC 메모리 블록에 대한 오류 주입 기능을 추가했다. AM6xxx SoC 안전 패키지는 고객 인증 노력을 지원하기 위해 품질 기록이 있는 규정 준수 지원 패키지다. IP 액세스를 위한 Sitara 프로세서 내장 제어 블랙 채널을 정의하고 내부 리소스를 장치 관리 및 보안 컨트롤러(DMSC)의 IP 액세스로 제어되는 논리적 하위 시스템으로 분할할 수 있는 유연성이 있다. DMSC는 멀티 코어 AM6x SoC 장치 제품군의 필수 요소다. 장치 관리, 부팅 순서, 전원 관리 및 보안을 위한 중앙 기관 역할을 한다. 모든 중요 자산(키, 구성 데이터)은 DMSC에서 보호되므로 공격 기회가 줄어든다. DMSC는 모든 보안 리소스가 조화롭게 작동하고 장치의 한 부분에 있는 보안 해킹으로 인해 전체 SoC가 붕괴되지 않도록 한다. TI는 DMSC 펌웨어의 보안 부분을 소유하고 있으며 바이너리로만 제공한다. AM6x 아키텍처 설계는 모든 SoC 리소스(메모리, 주변 장치, 코어 등)에 대한 동적 액세스 제어를 허용하는 향상된 방화벽 아키텍처를 지원한다. DMSC는 리소스에 대한 방화벽 액세스를 승격 또는 강등하는 기능을 제공한다. DMSC 리소스는 그림 9와 같이 정의된 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스를 통해 액세스할 수 있다 안전한 모션 제어를 위한 듀얼 칩 솔루션 듀얼 칩 솔루션에는 다음과 같은 장점이 있다. • 실시간 제어 및 산업용 통신을 위한 확장 가능하고 유연한 플랫폼이다. • Sitara 프로세서는 HMI(Human Machine Interface), 프로그래밍 가능 논리 제어 및 백플레인과 같은 설계에 사용될 수 있어 출시 시간을 단축한다. • C2000 MCU는 전력 변환(AC/DC, 충전, 전원 끄기 브레이크)에 사용할 수 있다. • 플랫폼 접근 방식은 소프트웨어 개발에 동일한 통합 개발 환경을 사용한다. • 무료 Code Composer Studio ™ 라이센스. • 다양한 코어(비 ARM C2000 MCU 및 ARM 기반 Sitara 프로세서). • 안전 온칩 하드웨어/소프트웨어 진단. • 동일한 안전 프로세스. • 동일한 SafeTI 패키지를 사용한다. • 온칩 안전 메커니즘을 설명하는 기능 안전 매뉴얼. • 상세하고 조정 가능한 정량적 FMEDA를 사용하면 시스템에 대한 기여 FIT를 계산할 수 있다. • 안전 진단 라이브러리는 최종 소프트웨어 프로젝트에 포함되어 전원 켜기 자체 테스트 및 주기적 자체 테스트를 위한 사용하기 쉬운 루틴을 제공한다. TI는 대상에 대한 코드를 컴파일하는 동안 사용할 수 있는 계측된 컴파일러로 구성된 컴파일러 자격 키트도 제공한다. 인스트루먼트 컴파일러는 모든 컴파일러 설정을 기록하고 특정 설정을 문서화하는 보고서를 생성한다. 높은 SIL 레벨(HFT = 1)을 위한 Sitara 프로세서 및 C2000 MCU에 의한 분해 분해의 가장 큰 이점은 필요한 SIL의 체계적인 측면과 전체 시스템 안전 목표를 충족할 수 있다는 것이다. Sitara 프로세서와 C2000 MCU는 모두 구성 요소 수준에서 SIL 2이다. Sitara 장치의 MCUSS를 C2000 장치용 외부 안전 MCU로 사용하면 시스템이 SIL3 및 카테고리 4 PLe에 대해 인증될 수 있다. Sitara ARM 코어 도메인은 다른 애플리케이션 및 통신 스택 실행에 사용할 수 있다. TI는 또한 시스템 수준에서 높은 안전성 구현에 기여할 수 있는 품질이 관리된전력 관리 집적 회로 및 게이트 드라이버를 제공한다(그림 10). {image10} 자료 제공: www.ti.com

2022-08-02

첨단 네트워크의 성능 단순화

IDEC 첨단 네트워크의 성능 단순화 플러그 앤 플레이 비관리형 스위치(plug-and-play unmanaged switches)는 비싸고 복잡한 관리형 스위치의 혜택과 특징을 제공한다. 설계자는 이 관리 기능을 통합하는 스위치를 선택하여 합리적 비용으로 성능이 최고인 네트워킹을 얻을 수 있다. 고성능 및 보안 생성 이더넷 네트워크는 산업용 시스템 설계자에게 최우선 조건이다. 이더넷은 일반적으로 다양한 설정에 배포되기 때문에, 성능이 훨씬 좋은 하드웨어가 제공되고 보증되더라도 소비자가 선호에 따라 선택한다. 관리형 스위치와 같은 전문가급 솔루션은 상대적으로 구성이 복잡하며 많은 시간이 필요하기 때문에 비용이 증가하는 경우가 많다. 그러나, 산업용 비관리형 이더넷 스위치는 관리형 스위치의 주요 성능을 갖추고 있다. 본문에서는 설계자가 알아야 할 비관리형 이더넷 스위치의 주요 특징을 설명하고, 이더넷 애플리케이션에서 강력한 연결성을 제공하기 위한 사용 방법을 소개한다. 속도를 위한 디지털의 필요성 많은 디지털 시스템 애플리케이션은 속도와 대역폭으로 인해 이더넷 통신을 표준화했다. 거의 모든 유형의 전자 장치가 서로 지능적으로 제어하고 모니터링 시스템에 연결할 수 있다. 산업용 사물 인터넷(IIoT)은 원격 모니터링 및 제어를 지원하기 위해 모든 소스에서 가능한 한 많은 데이터를 수집하려는 노력을 많은 사용자와 함께 진행 중이며 고속 이더넷 통신에 대한 요구가 더욱 커지고 있다. 이는 건물 자동화, 도시 교통 통제, 전력 설비, 물/폐수 처리 산업과 같은 다양한 산업 및 응용 분야와 거의 모든 유형의 제조 기계 또는 장비에 적용된다. 감시장치는 전용 컨트롤러, PLC, 하드웨어 HMI(Human-Machine Interface) 또는 현장에 설치한 PC일 수 있다. 필드 장치 (Field devices)는 IIoT 센서에서 RFID 판독기 또는 프로세스 분석기와 같은 지능형 장치에 이르기까지 다양하다. 기본적으로 여러 이더넷 장치를 연결해야 하는 곳이라면 어디에서나 스위치가 필요하다. 일반적으로 4포트 스위치가 가장 작은 것이지만 많은 사용자는 필드 장치의 수와 사용자 연결 포트에 대한 필요성이 증가함에 따라 더 많은 포트 수가 필요하다는 사실을 알게 되었다. 이러한 사용자 중 다수는 8포트 스위치가 크기와 용량 측면에서 탁월한 균형을 이룬다고 생각한다. 많은 상업 및 산업 애플리케이션은 대부분 업무가 최우선이므로 네트워크 문제로 인한 시간 중단은 용납할 수 없다. 다음 단계는 까다로운 물리적 장소에서도 필요한 성능과 안정성을 제공할 수 있는 모델을 선택하는 것이다. 비관리형 vs 관리형 비관리형 이더넷 스위치는 기본적으로 플러그 앤 플레이이며 일반적으로 사용자 구성이 필요하지 않다. 각 포트는 연결된 장치와 일치하도록 자동 구성되며 스위치는 MAC 주소 테이블을 구축하여 일정 수준의 지능으로 트래픽을 전달하며 보안 조항이 거의 없다. 비관리형 스위치는 매우 경제적이며 변경이 필요하지 않고 평균 성능이 허용되는 소규모 네트워크에 많이 고려된다. 사용자가 통신 속도를 높이고 트래픽과 네트워크 부하를 최소화하며 네트워크 보안을 개선하려는 경우 일반적으로 관리형 이더넷 스위치가 필요하다. 이러한 각 특성은 장비, 장치 및 디지털 서비스가 24시간 안정적으로 작동해야 하는 다양한 유형의 상업 및 산업 설치에 적합하다. 그러나, 관리형 스위치는 일반적으로 상당한 IT 교육을 받은 직원이 구성해야 하며 이러한 구성은 네트워크의 모든 스위치에서 유지되어야 한다. 단순히 고품질 연결을 원하는 사용자에게는 이 작업이 어려울 수 있다. 따라서 관리형 스위치는 원래 더 많은 수의 포트를 제공하고 대부분 데이터 센터에 배포되었지만, 오늘날에는 크기 옵션이 다양하다. 비관리형 이더넷 스위치와 관리형 이더넷 스위치는 모두 신뢰할 수 있는 장치이지만 표준 소비자 또는 상업용 등급 스위치는 열악하거나 산업 환경에 이상적이지 않으며 많은 경우 인클로저에 설치하기가 불편하다. 산업용 등급 장치는 확장된 작동 온도 범위 및 전기적 노이즈 저항과 함께 보다 유연한 장착 및 연결 옵션을 제공하여 일반적인 설치 위치에 적합하기 때문에 선호된다. 비 관리형 스위치를 사용하는 필수 요소 고성능 및 강력한 이더넷 연결에 대한 요구가 많은 애플리케이션에서 크게 요구됨에 따라 사용자는 다른 옵션들을 다시 찾고 있다. 최근에는 별도 구성이 필요 없고 다음과 같은 가장 필수적인 관리 기능을 통합한 비용 효율적인 비관리형 스위치가 개발되고 있다. 서비스 품질(QoS, Quality of Service) QoS는 지정된 네트워크 트래픽의 우선순위를 지정하기 위해 스위치에서 사용하는 방법이므로 가장 중요한 패킷이 먼저 처리된다. 산업용 애플리케이션의 경우 플랜트 네트워크를 혼잡하게 하는 이더넷 장치의 수가 많이 증가하여 통신 지연 및 데이터 손실에 대한 우려가 발생한다. EtherNet/IP는 PC, PLC, HMI, 입력/출력 모듈, 가변 속도 드라이브, 지능형 기기 등과 같은 장치 간의 중요한 통신을 처리하는 데 사용하는 일반적인 산업 자동화 프로토콜이다. 따라서 EtherNet/IP 트래픽에 대한 내장 QoS를 제공하는 비관리형 스위치는 다른 일반 트래픽보다 중요한 데이터 패킷에 대한 우선순위를 자동으로 보장하는 것이 큰 이점이다. 사용자는 QoS를 구성할 필요가 없지만, 단일 외부 DIP 스위치로 쉽게 켜고 끌 수 있어야 한다. IGMP 스누핑 이더넷 트래픽은 모든 장치에 전송되는 일부 메시지, 장치를 선택하기 위한 멀티캐스트 및 특정 장치에 대한 다른 유니캐스트로 구성될 수 있다. IGMP 스누핑(Snooping)은 호스트와 라우터 간의 대화를 모니터링하고 어떤 링크가 어떤 전송을 해야 하는지에 대한 맵이나 필터를 만들고 유지하기 위해 스위치에서 사용하는 방법이다. IGMP 스누핑은 필요한 곳에만 메시지를 전달함으로써 네트워킹 트래픽과 필요한 리소스를 크게 줄인다. IGMP 스누핑은 일반적으로 활성화하는 것이 바람직하지만 필요한 경우 QoS DIP 스위치를 사용하여 비활성화할 수 있어야 한다. 과다한 전송 온보드 장비 또는 대규모 시설 내에 설치된 이더넷 네트워크의 경우, 신중한 설계 및 프로토콜 선택을 통해 중복성을 위해 네트워크 링을 활용할 수 있다. 그러나 부적절한 링 연결로 인해 네트워크가 중단되는 중복 메시지가 발생할 수 있다. 예를 들어 표준 스위치를 사용하는 경우 사용자가 실수로 두 개의 스위치 포트를 함께 연결하면 메시지가 포트에서 반복적으로 재전송되어 네트워크가 넘치고 압도될 때까지 그 수는 증가한다. 과다한 전송에 대한 보호는 이 문제를 감지하고 중복 메시지를 삭제한다. QoS와 마찬가지로 단일 외부 DIP 스위치로 이 기능을 활성화하는 것 외에는 사용자 구성이 필요하지 않다. 설계자가 상업용 및 산업용 스위치를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 다른 사항이 있다. 최고의 유연성을 위해 스위치는 속도, 완전 이중 또는 반 이중 모드의 자동 절충, 직선 또는 교차 케이블 감지와 함께 항상 최소 10Mb/s 및 100Mb/s의 속도로 작동해야 한다. 저장 후 전달 기술은 각 통신 프레임이 메모리로 완전히 수신되고 CRC에서 무결성을 검사한 후 대상으로 전달하기 때문에 작동에 가장 적합하다. 이 기능은 다른 전략에 비해 스위칭 지연이 매우 짧지만, 최고 품질의 통신을 보장한다. 견고한 금속 하우징은 산업용으로 유용하다. 전기적 노이즈, 전자파 장해(EMI), 전자파 적합성(EMC)에 대한 물리적 강도와 우수한 성능을 제공하는 반면, IP30 등급은 2.5mm 이상의 단단한 물체가 하우징에 들어갈 수 없도록 인클로저가 설계되었음을 의미한다. 또한 RJ45 이더넷 포트는 사용하지 않는 포트를 보호하기 위해 IP30 등급 덮개와 함께 제공되어야 한다. 사용자는 35mm DIN 레일 또는 인클로저 내의 후면패널에 스위치를 장착할 수 있는 옵션이 필요하다. 환경에 적합한 작동 온도 범위를 찾는 것이 중요하며 -40~75°C의 확장된 범위에서 작동할 수 있는 스위치는 몇 개뿐이다. 전체 온도 범위가 필요하지 않더라도 보다 나은 정격을 가진 장치는 더 견고하게 제작되어 더 큰 신뢰성과 더 긴 수명을 제공한다. 물론 설계자는 UL508, CE, FCC 및 Class I Division 2 위험 지역 승인과 같은 모든 승인 등급이 필요에 따라 존재하는지 확인해야 한다. 마지막 참고 사항은 많은 중요 애플리케이션에 사용할 수 있는 중복 전원이 있으므로 스위치는 하나의 전원 공급 장치에 오류가 발생하는 경우 제로 장애 조치 시간을 위해 두 개의 개별 전원 공급 장치 연결을 허용하도록 설계되어야 한다는 것이다. 플러그형 단자대는 설치 및 서비스를 더 쉽게 한다. 네트워크 성능 향상 오늘날의 산업 및 상업 애플리케이션은 일반적으로 많은 수의 디지털 컨트롤러, PLC 및 HMI를 사용하며, 증가하는 지능형 필드 장치는 모두 이더넷에 의존한다. 이제 설계자는 가장 중요한 관리형 스위치의 기능이 내장된 비 관리형 스위치를 선택하여 별도의 구성이 없이 간단한 설치로 최고의 네트워킹 가격 및 성능 비율을 얻을 수 있는 옵션을 갖게 되었다. 자료 제공: IDEC(www.IDEC.com)

2022-08-02

피에조 기반 카테터 기기로 비접촉식 치료 수행

PI Korea 피에조 기반 카테터 기기로 비접촉식 치료 수행 동맥 경화증 또는 심장 부정맥과 같은 심혈관 질환은 전 세계 수백만 명의 사람들이 앓고 있으며 심장마비나 뇌졸중과 같은 생명을 위협하는 합병증을 유발한다. 최소 침습적 카테터 솔루션은 매우 부드러운 시술과 빠른 회복을 보장하므로 치료법으로 점점 더 많이 사용되고 있다. 피에조 소자로 생성된 초음파는 가장 작은 공간에서 비접촉적이고 최소 침습적인 치료에 사용될 수 있다. 비접촉식 심혈관 시술 현대 혈관 내 쇄석술은 피에조 구동 초음파 카테터를 기반으로 한다. 이는 표적 병변의 도움을 받아 동맥 세동의 원인을 치료하거나 초음파로 경피적 대동맥판막 치환술(TAVI, TAVR)을 위한 치료 영역을 준비하거나 혈관 내 또는 대동맥 플라크를 비접촉적으로 파괴하는 데 사용된다. 이를 위해 안정적이고 효율적이면서 초소형인 기기가 필요하다. 매우 작은 피에조 컴포넌트는 도구를 안정적으로 구동하고 부드러우면서 효과적인 치료를 가능하게 한다. 석회화대동맥협착증의 비침습적 초음파 치료법 경피적 대동맥판막 치환술(TAVI) 절차를 연기하기 위해 AorticLab은 초음파 히스토트립시를 위한 트랜스카테터 변연절제술 솔루션을 개발했다. 대동맥 판막의 석회화를 부드럽게 파편화하여 기능을 회복하도록 설계했다. 장치 내에서 피에조 트랜스듀서는 두 개의 다른 주파수에서 초음파를 발생시켜 조직과 판막에서 석회화를 분해하는 강력한 캐비테이션 효과를 생성한다. AorticLab의 R&D 프로젝트 리더인 Enrico Fermi는 “PI Ceramic의 고품질, 고성능 피에조 트랜스듀서를 사용하여 낮은 에너지 파동을 생성해 중요한 조직을 손상하지 않고 매우 효과적으로 치료할 수 있다”라고 밝혔다. 최소 침습성, 최대 효율성: 초음파 카테터를 위한 미니어처 피에조 컴포넌트 PI Ceramic의 미니어처 피에조 소자는 공간이 협소한 의료 시술에 적합하다. 디스크, 플레이트, 튜브, 구 등 형태가 다양하며 크기가 수 mm로 최소 설치 공간에서 높은 유효 힘을 제공한다. PI Ceramic은 테스트 및 패키징에 대한 오랜 노하우로, 고객의 소형 피에조 및 전체 트랜스듀서 조립과 접착을 지원한다. 혈관 내 쇄석술 및 카테터 절제술과 같은 애플리케이션 외에도 미니어처 컴포넌트를 다른 최소 침습적 치료 절차에 사용할 수 있다. 자료 제공: PI Korea(www.pikorea.co.kr)

2022-08-02

모션 제어- 피드포워드(Feedforward) 위치 정확도 향상을 위한 필수 요소

pmd 많은 애플리케이션은 모션의 높은 정확도를 요구한다. 그러나 서보 루프를 제어하기 위해 PID(비례, 적분, 미분) 설정을 완벽하게 최적화한 경우에도 다양한 힘의 영향으로 인해 그 결과가 완벽할 수 없다. 그러나, 서보 루프 외부에 제어요소를 추가하여 성능을 보다 향상시킬 수 있다. 본문에서는 시스템을 더욱 원활하게 실행하고 높은 정확도를 제공하기 위해 피드포워드 기술을 적용한 다양한 방법을 살펴본다. 독자들은 동역학, 부하 및 환경에 대해 많이 알수록 시스템 성능 개선을 위해 피드포워드를 활용할 수 있다는 점을 발견하게 될 것이다. 일부 애플리케이션에서는 피드포워드 또는 특수 제어기술이 필요하지 않지만, 보다 정확하고 효율적이며 빠른 모션이 요구되면서 최근 이러한 기술들이 관심을 끌고 있다. 루프(loop) 피드포워드에 대한 모든 내용은 제어 루프에서 시작된다. 그림 1a와 1b는 널리 사용되는 두 가지 제어 루프를 보여준다. 첫 번째는 오래된 위치 PID(비례, 적분, 미분) 루프이고 두 번째는 일반적으로 PI(비례, 적분) 필터만 사용하는 속도 루프이다. 대부분의 지점 간의 포지셔닝 시스템은 위치 PID 루프를 사용하는 반면, 많은 회전 및 펌핑 애플리케이션은 속도 PI 루프를 사용한다. 고성능 위치 제어 애플리케이션은 실제로 두 가지를 모두 사용할 수 있으며 위치 루프는 외부 루프로 작용하며 내부 루프로는 속도 루프에 명령 값을 입력한다. 이 배열을 계단식 위치 속도 제어 루프라고 한다. 조정하기가 조금 복잡하지만 부드러움과 안정성을 개선하기 위한 추가 제어를 제공할 수 있다. 상황 위의 다이어그램에서 위치 PID 루프와 속도 PI 루프가 모두 전류 루프라고 하는 것으로 출력되는 것을 알 수 있다. 전류 루프는 또 다른 제어 루프이지만 원하는 전류(토크) 명령을 받아들이고 모터 코일을 통해 실제 전류를 측정하고 PI(비례, 적분) 루프를 실행하여 이 제어 루프에서 모터 전압을 명령한다. 모터 코일을 통한 실제 전류가 명령된 전류와 동일한 방식이다. 일반적인 전류 루프는 그림 2에 나와 있다. 일부 간단한 서보 제어 시스템은 전류 루프를 생략하고 모터에 전압 명령을 직접 출력하여 차례로 모터 코일에 전류를 생성한다. 모터 코일 연결부의 전압과 코일을 통해 흐르는 실제 전류 사이의 관계는 다소 복잡하다. 왜 이럴까? 간단히 말해서, 회전할 때 전류가 모터 코일로 다시 유도되어 원하는 전류 흐름에 비해 실제 전류 흐름이 왜곡되기 때문이다. 이 결과는 회전 속도에 비례하는 유효 전압의 감소로 해석하는 back EMF(Electro-Motive Force)를 가져온다. 이는 실제로 코일에서 유도된 전류의 결과 중 하나다. 그러나 코일을 통한 전류 파형의 밀리초 단위 왜곡은 이보다 훨씬 복잡하다. 특히 브러시리스 DC 유형과 같은 다상 모터는 고정자의 유효 전기 각도가 이동되기 때문에 이러한 왜곡에 민감하다. 이는 결과적으로 정류가 비효율적이며 에너지를 낭비하고 모터에서 과도한 열을 발생시킨다는 것을 의미한다. 따라서 대부분의 모션 제어 애플리케이션에서 전류 루프가 사용된다. 최신 모션 컨트롤러는 홀 센서 또는 감지 저항과 비교기 또는 A/D(아날로그-디지털 변환기)를 사용하여 이 작업을 디지털 방식으로 수행한다. 원하는 드라이브 성능에 따라 다양한 전류 제어 방식을 사용할 수 있다. 보다 정확한 방식은 각 레그(leg)를 통해 전류를 지속적으로 측정하는 것이다. 간단한 방식은 전체 모터에 대해 하나의 전류를 측정하는 방법이 있다. 제어루프 설정 위치 PID 루프를 설정하고(속도 루프가 아닌 위치 PID 루프만 가정함) 프로파일을 생성을 시작한다. 그러나 PID 매개변수의 미세 조정에도 불구하고 로드 시 원하는 프로파일을 완벽하게 추적할 수 없다는 것을 즉시 알 수 있다. 가속 단계에서는 항상 지연이 발생하고 감속 단계에서는 오버슈트가 발생한다. 이에 대한 한 가지 원인은, PID 루프가 출력하려면 오류가 있어야 하기 때문이다. 따라서 모션에는 0 이 아닌 위치 오류가 있다. 또 다른 이유는 실제 시스템이 안정적이고 진동 없는 모션을 유지해야 하기 때문이다. PID는 궁극적으로 이러한 다양한 목표 사이의 절충안을 나타낸다. 모션 컨트롤러에 많은 정보를 제공할 수 있는 방법이 있다면 PID 루프의 부담을 줄이면서 위치 오류를 줄일 수 있다. 알고리즘 관점에서 제어 루프에서 이를 달성하는 것은 그림 3과 같이 매우 간단하다. 할 일은 PID 위치 루프 출력에 단순히 수치적으로 피드포워드를 추가하여 현재 토크 루프 명령을 수정한뒤 피드포워드를 도입하는 것이다(또는 계단식 위치/속도 루프가 사용되는 경우 속도 명령). 정의에 따른 피드포워드 용어는 시스템이 원하는 모션 프로필 또는 기타 변화에 어떻게 반응하는지에 따라 다르다. 피드포워드 값이 높을수록 모터가 움직일 때 발생하는 토크가 높을수록 서보 루프가 수행해야 하는 작업이 줄어들고 기계 성능이 더욱 정확하고 반응성이 높아진다. 서보 오류 가장 간단한 피드포워드 용어의 종류는 토크 명령이다. 그림 3에서 이는 ‘정적 성향’이란 용어로 표현된다. 이를 활용한 구성은 중력의 영향을 받는 수직 축이다. 이 애플리케이션을 위한 최적의 출력은 하중을 전달할 때 축을 들어 올릴 만큼 충분히 큰 토크를 생성한다. 따라서 이론상으로는 PID 루프가 중력을 보상하기 위해 아무것도 할 필요가 없다. 실제는 이 몇 가지 요소가 완벽한 보상을 허용하지 않는다. 부하 질량은 가변적이며, 엄격한 허용 오차로 제작된 경우에도 모터와 메커니즘이 정확히 동일하게 동작하지 않는다. 따라서 토크 보상 값을 추가할 때 PID 루프가 수행해야 하는 작업의 양을 줄이는 것이 아니라 낮추는 것으로 예상해야 한다. 이 토크 명령 외에도 Newton의 운동 법칙과 마찰을 보상하려는 욕구는 두 가지 추가 피드포워드 항목을 사용하게 한다. 바로 속도 비례 피드포워드 및 가속도 비례 피드포워드다. 이 항목은 프로파일 생성기의 변수에 프로그래밍이 가능한 스케일 팩터를 곱하여 계산된다. 속도 피드포워드의 경우 축의 속도에 비례하는 기계의 움직임을 상쇄할 수 있는 다양한 종류의 마찰력이 있다. 이러한 힘의 크기를 결정할 수 있다면 보상할 수 있다. 기계 부하가 속도 변화에 저항하는 경향이 가속 비례힘에도 동일하게 적용된다. 기계 부하의 질량을 알고 있는 경우 가속 및 감속 중에 부하 질량에 의해 부여되는 힘을 보상하는 가속 비례 토크를 피드포워드할 수 있어야 한다. 그림 4는 피드포워드 보상이 적용되지 않은 위치 오차, 속도 피드포워드만 적용된 경우, 속도와 가속도 피드포워드가 모두 적용된 경우의 애플리케이션을 보여준다. 피드포워드 게인을 올바르게 설정하려면 어떻게 해야 할까? 그림 4를 지침으로 사용하여 피드포워드 보상이 없는 서보 지연의 모양을 보면 기계에 속도 비례 지연, 가속 비례 지연 또는 둘 모두가 발생하는지 확인할 수 있다. 어떤 종류의 힘이 작용하는지를 결정하고 서보 지연이 최소화될 때까지 피드포워드 게인 설정을 조정해야 한다. 가장 정확한 평균 피드포워드 스케일 값을 얻기 위해 축을 앞뒤로 몇 번 실행하고 데이터를 평균화하면 된다. 부하가 변경될 수 있고 기계 메커니즘이 다양하기 때문에 서보 지연이 0 이 될 것으로 기대하지는 않아야 한다. 운동학 위의 논의에서는 운동학적으로 복잡한 기계를 무시했다. X Y 스테이지와 같은 직교 액추에이터로 제작된 기계는 상대적으로 보상하기 쉬운 단순 반사력을 갖는다. 그러나 PUMA 스타일의 다관절 암과 같은 로봇 구성은 훨씬 복잡한 반사 토크를 가지며 구심력과 같은 새로운 힘을 포함한다. 또한 이러한 로봇의 경우 팔이 회전함에 따라 중력과 같은 일정한 힘이 변경될 수 있다. 그림 5는 이 점을 보여주는 간단한 다이어그램이다. 위치 1에서 모터에 필요한 반사 중력 보상 토크는 위치 2에서와 상당히 다르다. 이론적으로 로봇, 부하 및 모션 프로파일에 대한 충분한 정보가 있으면 이러한 힘을 보상할 수 있다. 운동학적 변환 및 토크 보상 기술과 같은 로봇 관절을 위한 모션 컨트롤러에서 이를 사용할 수 있다. 성능을 동적으로 관찰하여 부하가 무엇인지 또는 시간이 지남에 따라 노화되는 기계 구성 요소에서 마찰이 어떻게 변하는지 유추하는 '관찰자(obsever)'를 구축하는 기술을 적용할 수도 있다. 일반적으로 범용 모션 컨트롤러에서는 이러한 기술을 제공하지 않는다. 컴플라이언스 지금까지 상수, 속도 비례 및 가속도 비례의 피드포워드를 살펴보았다. 이러한 방식은 움직일 때와 움직이지 않을 때 모두 부하가 힘을 다시 모터로 반사하여 위치 제어 루프에 영향을 미치는 방식이다. 그러나 기계에 대한 추가 피드포워드 체계의 다양한 클래스가 있다. 즉, 기어, 베어링, 연결 장치 및 기타 인라인 메커니즘이다. 이 내부 세계에서 피드포워드에 대한 사용자의 목표는 역학 마찰이 없고 뻣뻣한 현상을 해결하는 것이다. 보상하려는 첫 번째 요소는 규정 컴플라이언스다. 규정 컴플라이언스는 기계적 연결 장치, 기어 및 벨트가 뻣뻣하지 않는다는 개념을 반영한 용어이다. 따라서 컴플라이언스를 위한 피드포워드는 유연한 암 연결, 기어헤드 또는 고무 댐퍼와 같이 호환되는 구성 요소를 보상하는지 여부에 따라 다른 형태를 취할 수 있다. 규정 컴플라이언스의 원인이 무엇이든 목표는 같다. 특정 작동 조건에서 시스템이 어떻게 작동하는지에 대해 알고 있는 것을 사용하여 실제 부하의 동적 서보 추적이 개선되도록 제어 루프 계산을 보상하는 것이다. 이 설명을 위해 탄성 중합체로 규정 컴플라이언스를 모델링한다. 그림 6은 간단한 선형 액추에이터에서 이러한 요소를 개략적으로 보여주고 있다. 이 선형 액추에이터에 대해 우리가 알 수 있는 것은 엘라스토머가 경험하는 토크에 대한 엘라스토머의 편향(압축되거나 늘어나는 정도)에 미치는 영향이다. 이 관계는 그림 7에 나와 있다. 이 곡선은 전체 형태의 거의 모든 순응 요소를 나타낸다. 낮은 토크에서 곡선은 평평하며, 이는 주어진 토크 증가에 대해 위치 편향이 크다는 것을 의미한다. 그러나 토크가 증가함에 따라 곡선은 가파르며, 이는 주어진 토크 증가에 대해 편향이 작다는 것을 의미한다. 피드포워드 목표는 이 편향 곡선을 특성화한 다음, 축에 대해 예상되는 가속 및 부하 범위에 대해 보상 신호를 전달하는 피드포워드를 생성하는 것이다. 그림 7은 위에서 설명한 것과 같이 피드포워드를 취소하는 컴플라이언스에 사용되는 업데이트된 PID 루프다. 이전 루프에서 두 가지 주요 변경 사항이 있다. 첫 번째는 토크 피드포워드 값이 아니라 명령 위치 피드포워드 값을 전달한다는 것이다. 둘째, 토크 피드포워드 값이 PID 루프 이후가 아니라 이전에 전달한다는 점이다. 따라서, 접근 방식은 컴플라이언스 요소가 토크를 추정하고 이를 편향으로 변환한 다음 명령 위치에 추가하는 것이다. 이러한 테이블에 대한 항목의 예는 그림 9에 나와 있다. 모든 것이 계획대로 작동하는 경우 변경된 위치는 정확히 오프셋 되고 하중의 끝 위치도 완벽하다. 대부분의 경우 예상 토크에서 편향으로의 변환은 테이블 조회를 통해 수행된다. 이는 이 곡선의 형태가 간단한 방정식으로 쉽게 표현되는 경우가 드물기 때문이다. 따라서 룩업 테이블은 가장 유연하고 편리한 접근 방식으로 점 사이의 선형으로 25~100개의 위치를 인코딩할 수 있다. 추정 방법 마지막 질문은 컨트롤러 내에서 엘라스토머가 경험하는 토크에 대한 추정치를 추출하는 위치이다. 더욱 명확하고 확실히 구현하기 위한 간단한 접근 방식은 프로필 생성기를 사용하는 것이다. 시스템에서 엘라스토머의 토크는 프로파일 생성기 값이 가속도에 비례한다. 토크가 얼마인지 추정하는 또 다른 방법이 있다. 즉, 서보 루프의 명령 출력 값을 보는 것이다. 토크 루프가 활성화될 때 PID 위치의 명령은 모터에서 요청한 토크를 나타낸다. 이 접근 방식을 선호되고 있으며 그 이유는 무엇일까? 이유는 서보 루프가 축에서 실제로 일어나는 일을 기반으로 명령을 출력하는 반면 프로파일 생성기는 이론적인 값을 나타내기 때문이다. 예를 들어, 축에 가해지는 하중의 무게가 컴플라이언스 하중에 대한 토크를 계산하는 데 사용되는 무게와 다른 경우 피드포워드 값이 올바르지 않다. 서보 루프의 출력은 이것을 자동으로 처리한다. 부하가 더 무거우면 프로파일을 추적하는 데 더 큰 토크가 필요하기 때문에 모터 명령이 더 커질 것이다. 여기서 축 하중의 추정은 필요하지 않다. 그러나 PID 루프의 토크 명령을 피드포워드 용어로 사용하면 동적 서보 가 불안정해진 한다는 큰 단점이 있다. 이 때문에 궁극적으로 이 기술은 자주 사용되지 않는다. 이 경우 모터 명령은 토크 추정으로 사용되기 전에 필터링 된다. 규정 컴플라이언스를 보상하기 위한 노력은 모션 시스템의 정확도에서 중요하다. 여기에는 다양한 애플리케이션과 함께 로봇 팔 및 공작 기계 장비도 포함된다. 모션의 끝 정확도만 중요한 애플리케이션에서는 컴플라이언스 보상이 거의 없다. 이는 모션이 끝날 때 축이 정지된 상태에서 동적 토크와 이에 따른 컴플라이언스 기반 위치 오류가 거의 0 으로 감소하기 때문이다. 스틱션(stiction) 내부 오류 현상의 또 다른 중요한 유형은 시작 마찰이라고도 하는 스틱션이다. 스틱션은 모션을 시작하기 위해 분리력이 필요한 축의 경향이다. 사용되는 베어링 및 액추에이터의 특성에 따라 녹, 먼지, 화학적 접착, 반 데르 발스 힘(Van der Waals forces) 및 정지 상태일 때 접촉하는 물체 사이에서 발생하는 미세한 접착 요소가 있다. 이러한 것은 시간이 지남에 따라 습도 또는 온도와 같은 환경에 따라 변할 수 있기때문에 점착에 대한 보상 체계를 개발하는 것이 까다롭다. 그럼에도 불구하고 대부분의 스틱션 보상 방식은 토크 명령에 주입된 임펄스 함수로 구성된 간단한 피드포워드 방식을 사용한다. 즉, 정지 축이 모션을 시작하려고 할 때 잠시 펄스를 가한다. 이러한 기능은 그림 10에 나와 있다. 이 임펄스 기능을 조정할 때는 주의해서 수행해야 한다. 너무 많은 힘을 가하면 축이 불필요하게 흔들려 축 역학에 진동을 유발하는 반면, 힘이 충분하지 않으면 축이 움직이지 않아 서보가 멈춤 현상을 극복할 때까지 시간 지연이 발생한다. 스틱션을 수정하려는 대부분의 엔지니어는 시행착오 방식으로 충격력의 강도와 지속 시간을 조정한다. 디더링(diethering)으로 알려진 스틱션 수정에 성공적으로 사용된 기술이 있다. 이 기술은 직접 주입 피드포워드를 사용한다. 토크 명령에 직접 공급되는 것은 양극성 노이즈 신호이다. 노이즈를 도입함으로써 축이 안착하는 것을 허용하지 않고, 축은 노이즈 신호로 인해 대상 위치를 중심으로 디더링된다. 디더링은 가청 노이즈를 발생시키고 모터에 원치 않는 진동을 유발하기 때문에 널리 사용되지 않는다. 그러나 전자 유압식 밸브 컨트롤러와 같은 일부 특수 모터 드라이브에서는 사용되는 기술이다. 모션 다음은 모터 자체에서 발생하는 위치 왜곡을 수정하는 방식을 살펴본다. 모터의 토크 또는 위치 출력을 수정하려는 이유는 회전식이든 선형이든 모터가 전류 흐름을 기계적 토크로 완벽하게 변환하지 못하기 때문이다. 토크 출력 '범프니스(bumpiness)'의 원인에는 여러 가지가 있으며, 이 요철이 기계 메커니즘에 주입되어 PID 보정기의 작업을 어렵게 만든다. 위치 정확도가 가장 중요한 스텝 모터의 경우 코일을 통해 동일한 움직임 증분을 생성하지 않는다. 이는 회전자 및 고정자 모양의 복잡성과 토크를 생성하는 B-장(자기장)과 관련이 있다. 서보 모터의 비선형 토크 출력 또는 스텝 모터의 비선형 위치 증분을 수정하기 위한 보상 체계는 이미 논의된 것과 동일한 접근 방식을 따른다. 출력을 선형화하기 위해 모터에 대해 미리 알고 있는 수정 계획을 적용한다. 이전 방식과 달리 방정식은 수정하는 데 거의 사용되지 않는다. 대신 룩업 테이블은 몇 번의 회전과 몇 가지 모터의 평균을 기반으로 보정 값을 기록한다. 하나의 완전한 전기적 주기를 통해 모터의 토크 프로파일을 매핑함으로써 멈춤쇠(counteract detents) 및 기타 결함에 대응할 수 있는 보상 모터 명령(피드포워드)을 개발할 수 있다. 이에 대한 입력은 인코더에서 제공하는 회전자이다. 예를 들어 그림 11은 PMD 연구실의 브러시리스 DC 모터에 대해 구성된 보정 테이블이다. 알고리즘적으로 테이블의 값은 토크 루프로 보내기 전에 PID 루프에서 토크 명령의 크기를 조정한다. 이러한 토크 테이블 값 생성을 위해, 모터 샤프트의 레버 막대 끝에 있는 구성요소 등 여러 가지 방법을 사용할 수 있다. 주어진 토크 명령에 대해 모터가 회전함에 따라 저울은 모터를 유지하는 데 필요한 실제 힘을 기록한다. 이 방식은 무게가 매달린 끈을 레버 막대에 부착하는 것으로 변형할 수 있다. 추는 모터에 고정 토크를 적용한 다음 작은 고정 증분으로 모터에서 실제로 생성된 토크가 순 회전력을 발생시키지 않을 때까지 명령 출력이 조정된다. 위의 보상 체계는 단일 토크 비례 조정이 토크 출력을 완전히 선형화 한다고 가정한다. 그러나 특히 멈춤쇠가 있는 브러시리스 DC 모터의 경우 순 토크 출력은 고정된 비-토크-비례 기능과 토크 비례 기능의 조합이다. 이러한 시스템을 보상하기 위해 회전 각도와 토크 명령 모두의 함수로 기록하는 2차원 테이블이 사용될 수 있다. 위의 방식은 브러시리스 DC 또는 DC 브러시 모터의 토크 선형화에 적용된다. 고해상도 방식을 사용하는 스텝 모터는 유사한 기술로 위치 조정의 부드러움과 정확도를 향상시킬 수 있다. 그러나 토크 보상 테이블 대신 마이크로스테핑 sin/cos 룩업 테이블을 사용한다. 특히 부드러운 움직임이 중요한 기타 애플리케이션의 경우 sin/cos 마이크로스테핑 테이블을 사전 보정하면 움직임의 부드러움에서 매우 의미 있는 개선을 얻을 수 있다. 또한 마이크로스테핑 컨트롤러의 룩업 테이블 값을 변경하는 것뿐이므로 부하가 증가하지 않는다. 듀얼 루프(dual loop) 지금까지 모터 제어 루프에 적용된 보상 체계에 초점을 맞추어 부하 및 안정성을 개선했다. 그러나 이와 완전히 다른 제어 기술이 있다. 이 방법은 제어되는 축당 두 개의 인코더를 사용하기 때문에 소위 듀얼 루프(이중 루프)라고 한다. 하나는 모터에, 하나는 부하에 인코더가 있다. 정밀 유체 처리(실험실 자동화 역학 최적화를 위한)의 이중 루프 제어는 특수 서보 필터를 사용하여 모터 명령을 생성한다. 오늘날 다양한 이중 루프 제어 방식이 있지만 대부분은 안정화를 위해 모터 인코더를 사용하고 위치 제어를 위해 부하 인코더를 사용한다. 이중 루프를 항상 사용하지 않는 데는, 축당 인코더 1대에 비해 2대의 추가 비용이 들기 때문이다. 그러나 더 큰 문제는 하중 추적이 이론상으로는 위치를 측정하지만 실제로는 거의 그렇지 않는다는 것이다. 가장 큰 문제는 기계적 연결부에 부재가 있는 경우 서보 루프 안정성을 유지하기 어렵다는 것이다. 이것은 이 듀얼 인코더 방식에서 위치 측정 인코더와 모터 사이에 큰 위상 지연이 있기 때문이다. 요약 피드포워드를 사용하여 성능을 개선할 수 있는 다양한 내부 및 외부 기계 역학이 있다. 이들 중 가장 간단한 것은 정적, 속도 및 가속도 비례 보상이다. 마지막으로 인코더를 사용하여 BLDC 모터가 회전할 때 토크 출력을 선형화하고 스텝 모터의 부드러움과 선형성을 향상시킬 수 있다. 이러한 모든 기술은 기계의 성능을 향상시킬 수 있지만 완벽한 보상을 제공하는 경우는 거의 없다. 이는 실제 각 기계와 모터의 동작이 약간씩 다르기 때문이다. 자료 제공: pmd(www.pmdcorp.com)

2022-07-02

스테퍼 모터의 센서리스 컨트롤, BLDC 모터의 대안으로 폐쇄 루프 스테퍼 모터

Nanotec 스테퍼 모터 기술은 서보 모터가 제공하는 고성능을 요구하지 않는 애플리케이션에 대한 비용 효율적인 대안으로 오랫동안 적용돼 왔다. 매력적인 생산 가격과 비교적 높은 토크 비율로 인해 장치 엔지니어링에 계속 사용됐다. 하지만 기계 공학의 정밀 축의 경우에는 서보 시스템을 선호하기 시작했다. 서보는 공진 대역을 피하기 위한 램프(ramps)의 지루한 테스트와 피드백 부족, 더욱 복잡한 사이징으로 인해 조달 비용이 많이 들었지만, 시운전이 쉬워 제한된 로트 생산에 더욱 매력적이기 때문이다. 이러한 추세는 최근 몇 년 동안 필드 지향적(field-oriented) 폐쇄 루프로 제어하는 스테퍼 모터의 개발로 인해 중단됐다. 폐쇄 루프 기술의 핵심은 전력 조정 전류 제어(power-adjusted current control)와 제어 신호 피드백이다. 이 스테퍼 모터는 서보 모터와 같은 방식으로 제어된다. 즉, 인코더의 신호를 사용하여 로터 위치를 감지하고 모터 권선에서 정현파 위상 전류를 생성한다. 자기장의 벡터 제어는 고정자 자기장이 항상 회전자 자기장에 수직이고, 자기장 강도가 필요한 토크에 정확히 일치하도록 한다. 따라서, 폐루프 스테퍼 모터는 기본적으로 고극(high-pole) 브러시리스 DC 서보 모터(BLDC)와 다르지 않다. 공명 및 과도한 열 발생과 같은 스테퍼 모터 기술의 모든 단점은 더 이상 문제가 되지 않는다. 대신, 정격 속도의 20~50%에서 동일한 크기의 서보 모터보다 2~3배의 토크를 지속적으로 얻을 수 있는 시스템이 있다. 스테퍼 모터 시스템의 유리한 가격과 결합된 폐쇄 루프 스테퍼 모터는 서보 시스템에 대한 경제적 대안이다. 그럼에도 불구하고 폐쇄 루프 시스템이 실험실 자동화 또는 소형의 CNC 밀링 머신과 같은 스테퍼 모터 애플리케이션에서 개방 루프 시스템을 대체하는 데 항상 선택받는 것은 아니다. 폐쇄 루프 기술이 여기에서도 장점을 제공하지만, 소형 모터의 비용을 훨씬 초과하는 높은 인코더 비용은 이러한 애플리케이션에서 이 기술을 널리 사용하는 데 방해가 된다. 또한 인코더가 없는 스테퍼 모터의 포지셔닝 정확도는 이러한 애플리케이션에서도 충분하다. 가상 인코더가 실제 인코더를 대체한다 이러한 애플리케이션에서 필드 지향적 제어의 이점을 활용할 수 있도록, Nanotec은 스테퍼 모터 용 센서리스(엔코더 없이 제어)를 개발했다. 로터의 실제 위치와 속도는 ‘가상 인코더’에 의해 컨트롤러에서 결정된다. 센서리스 시스템은 수년 동안 BLDC 모터, 특히 위치 제어가 필요없는 팬과 펌프에서 사용되어 왔다. 모든 센서리스 시스템은 모터가 속도에 비례하는 카운터 전압(카운터 EMF)을 유도하는 물리적 효과를 활용한다. 가장 간단한 센서리스 작동은 정류주기에서 코일에 전원이 공급되지 않는 동안 카운터 EMF를 직접 측정하는 것이다. 그러나 표준 작동과 비교하면, 이 방법은 특별한 하드웨어를 필요로 하며 모터 정격 속도의 약 10~20%에서만 안정적이며 그 이하에서는 측정 신호가 너무 작다. 이러한 이유로 까다로운 애플리케이션은 이제 관찰자(observer)기능을 사용하여 현재 컨트롤러가 측정하는 다른 값에서 속도 또는 카운터 EMF와 같이 직접 측정할 수 없는 값을 재구성하는 시스템을 구성할 수 있다. 이 유형의 시스템의 핵심은 실제 모터와 병렬로 설정된 PWM과 같은 입력 값에서 권선의 전류와 같은 값을 계산하는 정밀한 모터이다. 속도 또는 카운터 EMF와 같이 직접 측정할 수 없는 값을 현재 컨트롤러에 의해 다른 값에서 재구성한다. 이러한 방식으로 모터의 내부 값이 영구적으로 조정된다. 따라서 속도와 같이 실제로 측정되지 않은 값에 대해 정확한 추정치를 얻을 수 있다. 이 방법은 유도 전압으로 인해 권선의 반응이 속도의 함수로 변하기 때문이다. 그 결과 실제 광학 또는 자기 인코더와 동일한 정밀도로 최소 속도에서 시작되는 위치 및 속도 정보를 제공하는 가상 인코더가 탄생했다. 스텝 손실과 공명이 없다 이러한 관찰자 기반 컨트롤러의 품질에 중요 요소는 연결된 모터의 수학적 공식 및 모터 상수 측면에서 사용 중인 모터다. 따라서 당면한 과제는 소형 마이크로 프로세서에서도 모든 제어 사이클에서 완전히 계산할 수 있는 충분히 정밀한 모터의 수학적 모델을 찾는 것이었다. 원칙적으로 스테퍼 모터는 BLDC 모터와 수학적으로 유사하지만 BLDC의 일반적인 3상 대신 2개만 있으며 더 높은 극수로 인해 높은 속도에서 특수 기능을 나타낸다. 센서리스 컨트롤러의 실제 사용과 관련된 또 다른 중요한 측면은 모델의 매개 변수 식별이다. BLDC 컨트롤러는 데이터 시트에 지정되지 않지만 상당한 노력을 기울여 결정해야하는 많은 모터 매개 변수를 필요로 한다. 이는 제어를 구현하지 않고 차단 감지 메커니즘 또는 부하의 함수로서 정격 모터 전류를 감소시키는 단순화된 제어만 있는 시스템에도 적용된다. 이러한 경우에도 모터 임계값을 인식하고 구성해야 한다. 반대로 Nanotec의 센서리스 시스템은 사용자가 실제로 알 필요가 없는 매우 적은 매개 변수로 작동한다. 자동 설정 루틴은 연결된 모터를 측정하고 필요한 모든 매개 변수를 자동으로 결정한다. 모터 유형에 따라 속도 및 위치 정보는 100~250rpm 사이에서 얻는다. 이 정보는 500 또는 1000씩 증가하는 광학 인코더의 정보와 동일하게 정확하다. 그 결과 모터 제어는 인코더를 통해 제어되는 모터와 동일한 품질과 토크이다. 이 임계 값 아래에서도 센서리스 제어는 여전히 약 10–25rpm이다. 그러나 속도에 따라 정확도가 떨어지고 달성 가능한 토크도 떨어진다. 반대로 고속에서 센서리스 시스템은 실제로 인코더보다 잘 작동하며 항상 정현파 각도 오류를 유발하는 런아웃 허용 오차를 나타낸다. 자체 베어링이 없는 표준 인코더에서 이 오류는 최대 ± 1°의 크기에 도달할 수 있으며, 이는 높은 속도에서 폐쇄 루프 모드에 진동을 유발한다. 반면에 가상 인코더에서 고속에서의 오류는 모터의 스텝 각도 오류(± 0.09°)와 동일하다. 또한 실제 인코더는 항상 디지털 개별 위치 값을 제공한다. 특히 낮은 분해능에서 이것은 모터의 일정한 속도 변동으로 이어진다. 반면 가상 인코더 값은 연속적이고 일정하다. 관찰자 기반 제어를 사용하면 카운터 EMF가 매우 높은 모터를 사용할 필요가 없지만 인덕턴스가 높고 결과적으로 역학이 약하다는 단점이 있다. 반대로 인덕턴스가 매우 낮고 저항이 낮은 모터 (따라서 높은 정격 전류)가 훨씬 잘 작동한다. 개방 루프 및 폐쇄 루프의 결합 센서리스 제어는 속도 애플리케이션 뿐만 아니라 개방 루프 제어와 함께 사용할 때 위치 지정에도 사용할 수 있기 때문에 스테퍼 모터에 특히 매력적이다. 센서리스 알고리즘은 현재 속도가 추정되는 정확도를 감지할 수 있다. 속도가 감소함에 따라 신호가 너무 부정확해지면 시스템이 자동으로 개방 루프 모드로 전환되고 포지셔닝이 계속 가능하다. 개방 루프 모드에서는 몇 단계만 저속으로 이동하기 때문에 여기서 공명은 문제가 되지 않는다. 정지 상태에서 다시 시작할 때 폐쇄 루프 모드로 돌아가려면 몇 도만 있으면 된다. 따라서 센서리스 기술은 거의 모든 기존 스테퍼 모터 애플리케이션에서 필드 지향적 제어의 이점을 활용할 수 있다. 자료 제공: Nanotec(www.nanotec.com)

2022-07-02

안전 인터록 스위치의 필요성과 사용법

IDEC 안전 인터록(interlock) 스위치는 작업자를 기계 및 장비의 위험으로부터 안전하게 보호한다. 자동화 기계 및 장비 설계자와 제조업체는 시스템의 안전을 보장해야 한다. 표지판을 설치하거나 절차를 작성하는 것만으로는 충분하지 않다. 이러한 모든 보호 방법들은 쉽게 무시될 수 있기 때문이다. 작업자를 위험으로부터 안전하게 보호하기 위해 가드와 울타리가 필요한 경우가 많다. 이때 일부 가드는 제자리에 고정되어 있고 나머지 가드는 작업자가 열고 닫을 수 있어야 한다. 그러나 이러한 보호 조치도 기계작동 중에 제거되거나 중단될 수 있다. 가장 좋은 방법은 전기적 제어를 사용하여 가드가 닫혀 있는지 확인하고 그렇지 않은 경우 장비 작동을 중지시키는 것이다. 더욱 좋은 방법은 장비가 작동 중일 때 열리지 않도록 가드를 잠그는 것이다. 솔레노이드가 있는 인터록 스위치는 이러한 보호 기능을 제공하는 이상적인 장치이다. 본문에서는 인터록 스위치의 사용 이유와 방법을 설명하고, 몇 가지 사례를 소개한다. 요구 사항 OEM 기계 또는 엔지니어링 시스템에는 보호 장치가 필요하다. 예를 들면 회전, 왕복, 절단, 펀칭, 전단 및 굽힘과 같은 위험한 모션이 있는 기계들이다. 여기에는 톱, 프레스, 금속가공 및 기타 기계 장치 등이 포함된다. 평상시 사람이 없는 장비도 위험할 수 있다. 자동화된 제조라인은 강력한 고속 관절 암이 있는 산업용 로봇을 사용하기 때문에 탑재 하중과 도구를 이동하므로 심각한 위험을 초래할 수 있다. 기계 및 설비는 위험 지역으로부터 작업자를 보호하는 장치가 장착되어 있지만, 그러나 이런 장치들은 문이 있거나 또는 제거가 가능하다. 로봇 시스템은 직원이 들어오지 못하도록 잠긴 케이지인 프로세스 셀에 둘러싸여 있다. 가드가 닫히지 않으면 기계가 시작되지 않도록 이동식 가드를 연동해야 한다. 다음은 장비 관련 안전장치에 대한 표준이다. • 29 CFR 1910.212 • ANSI B11.19 • ANSI/RIA R15.06 • ISO 14119 • IEC 60204-1 • ISO 12100 • ISO14120 이러한 표준을 적용하기 위한 모범적 사례는 모니터링 및 잠금 가드를 설치하는 것이다. 가드 상태를 모니터링 다양한 가드가 적용된 경우에도 일부 애플리케이션에서는 모니터링 스위치가 필요하다. 또 다른 애플리케이션에서는 가드가 닫혀 있는지 확인하고 그렇지 않은 경우 장비의 전원을 차단하거나 전기적으로 인터록 하기위한 모니터링 스위치 사용을 권장한다. 잠금 장치는 장비가 작동하는 동안 가드를 닫은 상태로 유지한다. 이러한 기능, 전원 차단 및 잠금을 결합하여 올인원 솔루션을 제공한다. 인터록 스위치의 도어 모니터링은 인터로킹 상태를 감지하여 가드가 닫히고 전기 접점을 닫는 것을 확인한다. 잠금 모니터링은 잠금이 활성화되었는지 확인한다. 두 기능에 대한 접점은 안전 회로 또는 안전 릴레이에 배선이 되어야 하며, 이는 전원을 차단하여 위험한 장비를 정지시킨다. 가드가 완전히 닫혀 있고 장비의 위험이 발생되기 전에 잠금 기능이 작동한다. 적절한 시간에 잠금 기능을 명령하기 위해 안전 회로가 사용된다. 두 가지 버전의 인터록 스위치를 사용할 수 있다. • 스프링 잠금 유형-기계식 스프링으로 잠기며 잠금을 해제하려면 전원을 공급해야 한다. • 솔레노이드 잠금 유형-통전 중일 때만 잠그고 그렇지 않으면 잠금 해제된다. 일반적으로 스프링 잠금 버전은 보호 대상인 기계에 즉시 멈추지 않는 위험 요소가 있는 경우 사용되므로, 위험 요소가 사라진 후에만 잠금 해제되도록 인터록 스위치에 전원을 공급한다. 이 구성은 안전 장치이며 일부 애플리케이션에 필요한 정전 중에 보호 장치를 잠근 상태로 유지한다. 모션 지연이 문제가 되지 않는 기계의 경우는 안전 회로가 인터록 스위치에 전원을 공급하여 필요에 따라 잠그는 ‘솔레노이드 잠금’ 버전을 사용하는 것이 더욱 적절할 수 있다. 인터록 스위치의 기능 인터록 스위치는 상식적인 기술인 것처럼 보이지만 구현에 어려움이 있다. 스위치가 너무 크거나 설계자가 구현하기 어렵다. 또 다른 문제는 작업자나 장비 자체가 스위치를 부수기에 충분한 힘을 가하여 스위치를 안전하지 않게 만들 수 있다. 직원이 인터록 스위치를 우회하여 무력화할 수 있는지도 우려되는 부분이다. 이러한 이유로 인터록 스위치는 힘이 미칠 수 없는 곳이거나 또는 덮여 있거나 보이지 않는 위치에 설치하는 것이 가장 좋다. 다음은 인터록 스위치에서 찾아야 할 주요 기능이다(그림 1). • 높은 잠금력: 최소한의 파손 지점이 있는 금속 피팅 • 내구성 및 무결성: 가드가 완전히 닫혀 있지 않으면 잠금 모니터링이 닫힘을 표시할 수 없도록 잠금 및 모니터링 기능으로 중복 강도 제공 • 작은 설치 공간(조정 및 적용 가능): 하우징을 쉽게 회전할 수 있고 다양한 장착 옵션이 있는 최소화된 폼팩터. • 간편한 배선 및 전선관(케이블) 인입: 내진동성 및 설치 유연성을 위한 스프링 클램프 배선 • 낮은 에너지 소비: 장치의 솔레노이드 버전이 장기간 동안 활성화될 수 있으므로 에너지를 절약 • 수동 작동 기능: 작업자가 필요한 경우 스위치를 해제하여 장비 작동을 중지할 수 있는 제어 권한 보장 설계자는 또한 잠금 모니터링에 대한 ISO 14119:203의 요구 사항을 충족하고 이와 같이 표시된 인터록 스위치를 찾아야 한다. 즉, 잠금 모니터링 접점을 통해 보호된 가드의 위치 상태와 잠금 기능을 모두 모니터링 하여 온보드 접점 및 배선을 줄여 이중 안전 회로 및 추가 모니터링 회로를 달성할 수 있다. 이러한 통합 기능은 개별적으로 처리하는 기존 방법과 비교하여 작업을 단순화하므로 기계 설계자에게 상당한 이점을 제공한다. 적용 예 로봇은 보호 및 안전 스위치가 적용되는 응용 분야이다. 로봇을 사용하여 부품을 배치하고 용접하는 자동차 제조 라인을 생각해 보면 된다(그림 2). 로봇은 심각한 위험을 초래하므로 작업자가 로봇으로부터 멀리 떨어져 있어야 한다. 이 경우 폐쇄된 작업 셀을 만들기 위해 생산 라인 주변에 울타리를 만들어야 한다. 그러나 라인이 정지된 경우 직원이 서비스를 제공하려면 액세스 게이트가 필요하다. 가장 좋은 솔루션은 각 게이트에 로봇과 통합된 릴레이에 하나 이상의 안전 인터록 스위치를 장착하는 것이다. 게이트가 열려 있으면 로봇 작동을 시작할 수 없다. 로봇이 작동을 시작하기 전에 제어 장치는 닫힌 위치에서 모든 게이트를 연동한다. 한 번 작동하면 로봇이 부적절하게 부품을 움직여도 즉시 작동이 중지된다. 또 한 가지 우려는 직원이 작업실 내부에 갇힐 수 있는 경우다. 이를 방지하기 위해 인터록 스위치와 함께 잠금 해제 버튼을 사용할 수 있다. 잠금 해제 버튼은 쉽게 방향이 지정되어 있어 로봇 영역 내의 있는 직원이 이 버튼을 눌러 게이트를 해제하고 로봇을 멈출 수 있다. 적응성을 통한 안전성 향상 최신 인터로킹 스위치는 더욱 견고하고 적응력이 좋아 그 어느 때보다 기계를 안전하게 만든다. 이 스위치는 설치와 배선이 쉬워 종합적인 안전 솔루션을 제공한다. 자료 제공: IDEC(www.us.IDEC.com)

2022-07-02

반도체 장비 제조업체(OEM)와 FAB 엔지니어를 위한 리니어 모션시스템의 효과적인 운영 방법

Schneeberger 반도체 제조업체는 시장에 대응하기 위해 기술, 프로세스, 워크플로 및 수율에서의 개선을 지속적으로 추구한다. 그러나 이러한 개선에는 라인 가동이 성공하는 것에만 국한되지 않고 고장 가능성을 방지하는 것도 포함된다. 반도체 Fab 프로세스에서 리니어 모션시스템과 같이 사소한 것처럼 보이는 구성에 대한 개선과 보호 장치를 무시하면 제조 전체에 영향을 받을 수 있다. 따라서 Fab 관리자와 이를 공급하는 장비 제조업체는 이를 항상 유의해야 한다. 본문은 리니어 모션시스템의 선정, 설계, 설치 및 유지 관리에 대한 효과적인 방법을 소개한다. 요약 전 세계의 반도체 엔지니어링 관리자들은 안정적인 리니어 모션이 절대적으로 필요한 운영 요소라고 말한다. 이는 Fab 관리자와 장비 공급업체가 프로세스 전반에 걸쳐 리니어 모션 구성요소 또는 시스템에서 고장 위험도 모니터링을 해야함을 의미한다. 예를 들면 계측, 와이어 또는 다이 본딩, 웨이퍼 다이싱 및 스크라이빙 또는 패키징 장비들이다. 고장에 의한 비용은 상상을 초월한다. 단일 부품이나 시스템의 고장은 단기간의 다운타임에도 수십만 달러의 비용이 들 수 있다. 물론 수리 또는 교체에 대한 위치, 심각도 및 응답 시간에 따라 비용은 훨씬 많이 증가할 수 있다. 아울러 인적 안전 위험도 가장 중요한 관심사다. 설계결함이나 작동 안전장치를 따르지 않으면 끼임에서 폭주 단계에 이르기까지 모든 안전사고가 발생할 수 있으며, 기계에 부딪쳐 부상하거나 감전으로 인한 손상까지 초래할 수 있다. 사양 및 디자인 우선, 리니어 모션 제조시설은 Fab에서의 일관된 웨이퍼 수율을 보장하기 위해, ISO 인증을 받는 것이 중요하다. 또한 세심한 프로토타입 제작은 모션의 완성도 또는 시스템의 성능과 안정성을 유지하는 데 도움이 된다. 조립 또는 테스트에서 작고 중요한 단계가 누락되거나 제대로 수행되지 않으면 궁극적으로 현장에서 시스템 고장이 발생할 수 있다. 따라서 장비 제조업체는 경험이 풍부한 고품질 리니어 모션 공급업체와 거래하고 있는지 확인해야 한다. 또한 구성요소의 수명계산을 올바르게 수행해야 한다. 듀티 사이클은 Fab마다 다를 수 있기 때문에 리니어 모션의 경우 수명은 이동 킬로미터로 표시된다. 리니어 모션 업체는 이를 제품에 맞게 변환해야 한다. 예를 들어, 케이블은 50밀리미터 이상의 굽힘 반경(bend radius)이 유지되는 경우 1천만 회 이상의 굴곡 주기(flex cycles)를 지정한다. 그러나 굽힘 반경의 크기가 적절하지 않으면 케이블에서 떨어지는 미립자 또는 케이블 트랙과 커넥터에 가해지는 응력으로 인해 Fab에서 조기 고장이 발생할 수 있다(특히 유지관리 일정이 엄격하게 준수되지 않는 경우). 많은 장비 제조업체는 장비를 업데이트 또는 차세대 플랫폼으로 교체하기 전에, 5~7년의 안정적인 서비스를 제공하는 목표를 설정한다. 맞춤화 고려 부품은 장비 제조업체가 반도체 Fab을 위해 구축하는 어셈블리에서 중요한 역할을 한다. 그러나 우려사항은, 기존의 리니어 모션 스테이지가 Fab 공급업체의 다른 구성요소와 잘 조화되어 정확히 작동할 수 있는지 여부다. 예기치 않은 비호환성이 발생할 수 있기 때문이다. 종종 맞춤형 제품만이 Fab의 특정 요구사항에 궁극적으로 충족할 수 있다. 맞춤화를 통해 장비 제조업체는 Fab가 필요로 하는 단계의 설계 측면, 즉 속도에서 가속 및 안정성에 이르기까지 정확하게 구현하는 데 집중할 수 있다. 기성제품에서 표준으로 제공되는 불필요한 기능을 제거하여 비용을 절감할 수도 있다. 또한 모르고 있는 비호환성 문제가 제거된 통합 솔루션을 보장받을 수 있다. 장비 공급업체는 리니어 모션 제조업체로부터 주문에 맞는 프로토타입인지 살펴봐야 한다. 이러한 맞춤화는 제품의 결점을 예측 및 방지할 뿐만 아니라, Fab 전체에서 잠재적인 장애물을 피하고, 모든 라인에서 고장을 방지하는 데 필수적이다. 그리고 맞춤화는 작업에 필요한 정확한 크기, 모양, 코팅 또는 재료로 제품을 특화해야 한다. 그리고 정확도, 속도, 평탄도, 예압, 서비스 수명, 유지관리 수준 및 가격에 대한 목표를 충족하는 솔루션으로 의도해야 한다. 때로는, 보다 혁신적인 재료가 특정 맞춤형 설계의 위험을 줄이는 데 도움이 될 수도 있다. 예를 들어, 탄소섬유 구조는 구조적 강도, 강성 및 안정성을 최적화할 수 있으며 세라믹 베어링은 특정 윤활문제에 대한 솔루션이 될 수도 있다. 구성품 반도체 제조시설로 향하게 되는 리니어 모션부품이 장비 제조업체 현장에 도착하게 되면 여러 리스크가 발생할 수 있다. 리니어 모션 제조업체는 여기서 발생되는 문제해결을 위해 호출될 수 있다. 리니어 모터는 레일에서 움직이는 코일이 이동 중 한 지점에서 해당 레일과 마찰하는 바인딩 문제(binding problem)를 겪을 수 있다. 이것은 코일이 레일에서 약간 벗어나는 삐걱거림으로 인해 발생한다. 또는 움직이는 스테이지의 한 부분이 부딪혀 뒤틀림이 발생할 수 있다. 장비에 큰 툴 시스템을 구성할 때, 너무 긴 나사를 사용하면 슬라이드가 밀리게 되고 이로 인해 다른 슬라이드도 밀려나게 됨으로써 작동 중의 예측할 수 없는 긁힘 등의 위험을 초래할 수도 있다. 또는 추가 케이블을 실행하기 위해 코일의 나사를 해체한 후, 재체결 시에 나사를 잘못 조일 수 있다. 이와 같은 사고는 Fab에서 작은 성능문제부터 모터 손상 및 가동중지에 이르기까지 다양한 위험을 초래한다. 표면처리는 세심한 주의가 필요한 영역이다. 공차는 모든 면에서 일치해야 한다. 어떤 경우에는, 장비 툴을 만드는 업체가 리니어 모션 구성요소의 평탄도를 0.0005인치(12.7미크론)로 요구할 때가 있다. 그리고 툴 제작자는 그 부품을 0.005인치(127미크론)의 평면도를 가진 더 큰 어셈블리에 볼트로 고정한다. 이때 스테이지가 뒤틀리는 것은 거의 감지할 수 없다. 그러나, 고정밀 카메라로 웨이퍼 검사를 수행하기 위해 도구를 배치할 경우 초점이 Fab의 원하는 사양을 충족하지 못하게 된다. 전기 접지 장비 제조업체가 차후 문제를 방지하기 위해 리니어 모션시스템의 모든 구성 요소에 적절한 전기 접지가 있는지 확인해야한다. 이를 간과하면 작업자에게 감전 위험이 발생할 수 있다. 시스템 성능에 큰 영향을 미칠 수도 있다. 접지 경로를 통해 피드백을 하는 시스템의 접지 루프는 인코더에 잘못된 판독을 유도하여, 구성요소의 1mm 움직임이 컨트롤러 레지스터는 100mm의 이동을 기록할 수 있다. 예로, 스크라이빙 도구가 잘못된 위치에서 절단을 할 수 있거나, 칩이나 전체 웨이퍼를 손상시킬 수 있다. 효율적인 통합 Fab 고객에게 가장 높은 신뢰성의 제품을 제공하기 위해 장비 제조업체는 장기적으로 생각하고 예방해야 한다. 하역장에 부품이 도착하기 전에 위험을 제거해야 한다. 최고의 단일 구성요소에 집중하기보다는, 바닥에서부터 측정 지점까지의 하나의 완전한 계측 솔루션을 생각해야 한다. 즉, 부드러움과 높은 속도를 제공하는 고성능 크로스 롤러 베어링 외에도 전체 어셈블리 차원에서의 솔루션이 필요하다. 스테이지만이 아니라 스테이지가 장착되는 프레임과 최첨단 완충 장치도 함께 제공되어야 한다. 이러한 종류의 통합 기술을 통해 구성요소의 운동과 모든 주변 진동을 확실하게 제어할 수 있다. 그러나, 장비에서 사고를 일으킬 가능성이 가장 큰 부분은 리니어 모션시스템을 제어하고 구성하는 것이다. 여기서 부적절한 배선과 같은 문제가 발생할 수 있다. 그러나 가장 주의가 필요한 것은 제어를 프로그래밍하고 하드웨어와 소프트웨어를 통합하는 단계이다. 제어자는 다음과 같은 사항을 사전에 점검해야한다. 스테이지가 재고 구매인 경우, 모든 리미트 스위치(스테이지의 이동제한을 위한 하드 스톱과 같은 지점에 도달할 때, 스테이지를 보호하기위해 온 또는 오프 상태를 트리거함)가 옵션으로 주문됐는지 이다. 이것이 모두 적절하게 설정되고, 올바른 방향으로(적용되는 경우 왼쪽 또는 오른쪽 핀에 플러스 또는 마이너스 제한이 전송됨) 컨트롤러에 연결되었으며 사용됐는지 이다. 전류제한이 적절한 수준으로 설정되어 있는지, 스테이지가 올바르게 조정되었는지, 속도가 제한되어 시스템 구성요소의 지정된 제한을 초과하지 않는지도 확인해야 한다. 극단적으로, 이 실수는 Fab에서 폭주 단계로 이어질 수도 있다. 부품은 컨트롤러와의 통신이 끊기고 스스로 움직이기 시작한다. 아마도 원하는 거리를 넘어서 기계의 다른 부품에 영향을 끼치게 될 것이다. 더욱 가능성이 높은 시나리오는 제어 설계를 감독하지 않으면 과전류 상황이 발생하고 모터 손상이 발생할 수 있다는 것이다. 제한이 적절하게 지정되지 않고 이동하는 동안 스테이지나 테이블과 같은 구성요소가 레일에서 예상치 못한 무언가(떨어진 나사, 작업자의 손, 이동 끝 등)에 의해 물리적으로 방해를 받는 경우 모터가 손상될 때까지 점점 많은 암페어를 소모한다. 결과적으로 가동 정지, 분해, 교체로 이어지며 이 모두 Fab의 가동 중지와 비용을 발생시킨다. 제어 설계자가 리니어 모션 장비가 작동 중에 발생할 수 있는 모든 가능한 상황을 고려하지 않으면 훨씬 복잡한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 3축 리니어 모션 구성요소는 모든 작업을 수천 번 반복하면서 완벽하게 수행한다. 그러나 X, Y 및 Z 축이 모두 동시에 가장 낮은 이동 지점에 있는 경우처럼 리미트 스위치가 설정되지 않은 구성에서는 움직이는 요소가 주변 환경과 충돌할 수 있다. 문제점: 리니어 베어링은 지속적인 동적 및 정적 하중을 수용하는 데 탁월하다. 하지만 리니어 모션 구성요소가 고속으로 무언인가에 부딪히면 충격 하중이 발생할 수 있다. 그러한 단일 타격은 시스템의 모든 베어링을 파괴할 수 있다. 장비 제조업체는 리니어 구성품이 Fab에서 심각한 문제를 일으킬 수 있는 작은 사항에도 주의를 기울여야 한다. Fab 클린룸 표준을 충족하려면, 오일과 잔류물을 모든 부품에서 미리 제거해야 한다. 가장 작은 미립자라도 Fab 운영 중에 웨이퍼에 회로를 적용하는 것부터 계측 장비를 통한 검사에 이르는 프로세스를 저하시키거나 망칠 수 있다. 사전 청소는 고해상도 광학 장치의 얼룩이나 회로 경로에 떨어진 입자의 위험을 제거한다. 가스 방출로 인해 탄성물질(고무 성분)이 오일, 첨가제, 물 또는 기타 화학 물질과 같은 물질을 방출할 수 있다. 시스템 구성요소에 박막으로 증착되면 전자 장치 내부, 광학 표면 등에 큰 피해를 줄 수 있다. 이를 방지하기 위해 민감한 구성 요소는 미리 처리해야 한다. 일부 경우, 관통나사(vented screw)를 사용하여 조립해야 한다. 나사 끝부분에 오염될 수 있는 작은 공기 주머니가 끼지 않도록 해야 한다. 다. 엄격한 ISO 요구사항을 충족해야 하는 포지셔닝 시스템 구성의 첫 번째 질문이 클린룸 환경에서 제조했는지는 여부다. 마지막으로, 통합 측정 시스템을 평가할 때 값비싼 압축공기 퍼지시스템 없이 작동 환경에서 사용할 수 있는지를 확인해야한다. 추가된 복잡성은 시스템에 여러가지 고장 가능성을 그대로 추가한다. 운송 및 설치 리니어 모션시스템의 충격하중에 대한 상대적으로 낮은 저항은 앞에서 논의되었다. 가장 큰 위험은 다음의 세 개 기간에 발생한다. 1) 리니어 모션 공급자에서 장비 제조업체로 운송하는 동안 2) 시스템이 도착하여 장비에 통합되는 동안 3) 완성된 장비 어셈블리를 팹으로 운송하고 그곳에 설치하는 동안 신뢰할 수 있고 경험이 풍부한 리니어 모션 공급업체는 첫 번째 단계에서 충격 손상의 가능성을 크게 줄인다. 공급업체 전문가는 제조공간의 제약을 조기에 파악할 수 있으므로 클린룸이나 제조 현장에서 쉽게 조립할 수 없는 너무 크거나 무거운 스테이지를 설계하지 않는다. 또한 운송 장비 사용(크레인형 등)을 계획하여 무대를 상자에서 도구로 안전하게 운송하며 현장 직원의 부상 위험과 손상 위험을 최소화한다. 첫 번째 단계와 두 번째 단계 모두에서 리니어 모션 공급업체는 운송 상자 및 포장 시스템 사례들을 참고해야 한다. 한 선도적인 공급업체는 운송을 위해 두 개로 나누어 시스템을 포장한다. 그런 다음 섬세한 운송을 위해 특수 장비와 카트를 제공한다. 세 번째 단계에서 시스템을 위에서부터 아래의 장비 어셈블리에 배치하는 경우는 크레인으로 충분할 수 있다. 까다로운 측면 하중 조정이 필요한 경우 공급업체는 장착이 완료될 때까지 장비 측면에 볼트로 고정할 수 있는 특수 챔버 상자를 제공한다. 마지막으로, 설치하는 동안 리니어 모션시스템 또는 장비에 필요한 수동 조치(예: 엘라스토머 풋 또는 패드) 또는 댐퍼(센서 조정 에어백 시스템)를 장착하여 과도한 위험 또는 후속 Fab의 충격 또는 진동을 줄일 수 있다. 진동 장치가 작동할 때 Fab 바닥의 다른 장비나 지나가는 트럭과 같은 외부 환경에서 발생하는 진동은 초정밀 리니어 모션 구성 요소에 위험이 된다. 웨이퍼 소자에 일정 두께의 코팅을 추가하는 과정에서도 과도한 진동은 방해가 된다. 위에서 언급한 능동 또는 수동 조치 및 댐핑 시스템을 전략적으로 배치하면 이러한 위협을 줄일 수 있다. 윤활 리니어 모션시스템은 정기적인 유지관리가 항상 중요하다. 효과적인 유지관리의 핵심은 첫 번째도 윤활, 두 번째도 윤활이다. 모든 리니어 모션시스템 공급업체는 지정된 재윤활 서비스 주기로 제품을 공급한다. 그러나 Fab에서 보고된 많은 문제는 권장 주기를 따르지 않아서 발생한다. 필요한 윤활이 없으면 마찰응력이 증가하고 결국 시스템 정지 또는 모터 손상과 같은 매우 큰 이벤트가 발생한다. 또 다른 윤활문제는 Fab의 많은 리니어 모션 구성요소가 진공 챔버에서 작동한다는 사실에서 발생한다. 이 환경에서는 고도로 전문화된 진공 그리스가 필요하다. 그러나 사용하는 모든 진공 그리스가 똑같지 않다. 실제로 시스템에 따라 Klüber, Barrierta 및 Krytox와 같은 다른 그리스가 필요할 수 있다. 주의: 각 기계에는 올바른 그리스만 사용해야 한다. 호환되지 않는 오일이나 그리스를 혼합하지 않도록 세심한 주의를 기울여야 한다. 이렇게 섞이면 필요한 점도가 변경된다. 그 결과 끈적끈적한 시멘트 같은 재료가 기계에 쌓이게 된다. 과도하게 구부러진 케이블이나 케이블 캐리어 또는 손상된 웨이퍼로부터 미립자가 생겨나면, 레일 고장이 발생한다. 성능 로드맵 리니어 모션 제조업체는 장비 제조업체와 Fab 요구에 부응하여 성능 한계를 뛰어넘기 위해 항상 노력한다. 우수한 리니어 모션 공급업체는 현재 요구사항에 맞게 설계할 수 있을 뿐만 아니라, Fab의 차세대 장비에 맞는 설계를 위해 ‘성능 로드맵(performance roadmap)’을 제공할 것이다. 결론 리니어 모션시스템은 전체 장비 제품에 핵심적인 요소는 아니다. 또한 반도체 Fab 관리자가 최우선으로 생각하는 관심사도 아니다. 그러나 리니어 모션의 고장은 장비제조업체와 Fab에 심각한 문제를 초래할 수 있다. 설계, 설치, 운영 및 유지관리에 대한 합리적인 관심은 Fab의 지속적인 성공에 핵심적인 역할임을 잊지 말아야 한다. 자료 제공: Schneeberger(ww.schneeberger.com)

2022-07-02