소형 액추에이터를 선택할 때 고려해야 할 점

포장, 생명 과학, 유용한 장비 또는 공장 자동화, 부드러운 동작, 빠른 가속 및 높은 정밀도 등은 선형 이동 작동기의 특징적인 요건이다.

점점 더 최소화되며 복잡성에 대한 요구사항이 추가되었다. 모든 토크를 선형 추력으로 변환할 때 위의 모든 요건을 충족시킬 수 있는 시스템 중 하나가 단일 축 볼나사 액추에이터이다. 볼나사는 회전 운동을 선형 운동 또는 토크를 스러스트로 변환한다. 볼나사 액추에이터는 반발을 제거하기 위해 슬라이드 블록 또는 너트의 움직임을 유도하는 볼나사의 조합으로 가이드 레일의 블록과 경주로 사이에서 굴러가는 강철 볼을 재순환시켜준다.

시스템 솔루션의 이점은 무엇인가?

전통적으로 많은 장비 제조업체들이 맞춤형 볼 나사 액추에이터를 설계 및 조립했다. 사실, 많은 반도체 제조업체들과 의료 장비 제조업체들은 여전히 그렇다. 맞춤화된 단계를 설계하기 위해 엔지니어는 볼 나사 크기(즉, 오른쪽 볼 나사, 캐리지 및 가이드 레일)를 설계해야 한다. 또한 양쪽 끝과 모터 브래킷에 볼 나사를 지지해야한다. 장착 후에는 모든 구성 요소를 반복적으로 조정해야한다. 많은 기업들은 부품을 구입하고 자체 시스템을 구축하는 대신 기성 시스템 솔루션을 구입하는 이점을 인식하고 있다. 일반적으로 볼 나사 액추에이터 시스템은 최소 5가지의 다른 스테이지 크기를 제공한다. 여러 가지 이동 길이 옵션이 있으며 이미 설계된 다른 옵션도 있다. 일단 엔지니어가 최적의 시스템을 식별하면 그들은 올바른 모터를 얻어야한다. 하지만 애플리케이션에 적합한 시스템을 선택하려면 액추에이터 시스템을 신중하게 분석해야한다. 슬라이드 블록, 경주로, 베어링, 가이드 레일, 밸러스트, 너트 및 하우징 재료와 같은 구성 요소의 설계 및 크기 비교가 매우 중요하다. 이들은 모두 액추에이터 성능에 영향을 미친다.

솔루션은 컴팩트함에 어떤 영향을 미치는가

볼 나사 구동기가 기성 시스템의 사용을 금지하는 제품으로 설계된 경우, 맞춤 설계 및 조립 시스템만이 유일한 해답이 될 수 있다. 그러나 선형 가이드나 볼 나사와 같은 볼 나사 구동기 부품을 맞춤형 하우징에 조립하는 것을 선택하면 대개 사전 지정된 시스템보다 전체적으로 더 큰 단위를 만든다. 우선 액추에이터의 가이드 레일은 액추에이터의 구조와 통합되어 있고 슬라이드 블록에는 볼 나사 너트가 통합되어 있기 때문에 사전 설계된 시스템이 훨씬 더 작다. 일반적으로 여러 가지 구성 요소로 작동기를 제작하려면 볼 나사 너트를 끼울 하우징이 있어야한다. 또한 선형 지침을 위한 별도의 기초가 있을 것이다. 따라서 전체 유닛은 훨씬(30퍼센트 정도) 더 클 것이다.

액추에이터 선택에 영향을 미치는 요소들

특정 애플리케이션에 가장 효과적인 작동기를 선택하려면 중요한 정보를 먼저 하중 용량, 작동 속도, 스트로크 길이, 환경, 방향 및 위치 정확도와 같은 요소를 식별하고 정량화해야한다. 이러한 요소들이 확인되었다고 가정할 때 이제 우리는 4피트 이하 등급의 볼 나사 액추에이터 작동에 미치는 구성 요소 설계 차이의 영향을 고려할 것이다.

부품 설계가 로드 수용성에 미치는 영향

볼 나사와 가이드 레일 크기 외에도 하중 용량은 블록과 가이드 레일의 이동로 사이를 굴러가는 재순환 강철 볼의 크기와 접촉 볼의 개수에 따라 달라진다. 하중 용량을 충족하는 한 가지 방법은 볼 나사 및 가이드 레일의 크기를 늘리는 것이다. 액추에이터의 전체 크기를 늘리지 않고 부하 용량을 늘리는 또 다른 방법은 볼 회로를 늘리는 것이다. 대부분의 표준 볼 나사 액추에이터는 블록 양쪽에 하나의 재순환 볼 세트가 있다.

더 많은 볼 회로로 부하 용량 증가

블록 양쪽에서 볼 회로 수를 2배로 늘리면 액추에이터의 부하 용량이 2배가 된다. 최대 4피트 레일 이동의 액추에이터에 대해 논의하고 있기 때문에 볼 회로가 2개인 표준 1,380㎜ 레일 길이에 대한 최대 하중의 예는 37KN(kilonewton) 이다. 4개의 볼 회로가 있으면 74KN 이다. 액추에이터 크기 범위의 하단에서 볼 회로가 두개인 100㎜ 길이의 레일을 가진 액추에이터의 부하 용량은 3.945KN인 반면 볼 회로가 네 개인 경우에는 7.89KN 이다.

부품 설계가 정확도에 미치는 영향

액추에이터 시스템은 일반적으로 2-3 등급 또는 정확도 수준으로 제공된다. ‘상업용 등급’ 은 가장 낮은 등급이고 다음은 ‘높음’ 또는 ‘표준 등급’ 이며, ‘정밀 등급’은 가장 높은 등급이다. 시스템의 정확성 수준을 비교하기 위해 모든 제조업체의 최저 등급과 최고 등급 사이에 비교 가능한 정확도가 있다고 가정할 수는 없다. 하지만 위치 반복도, 위치 정확도, 러닝 평행도, 백래쉬, 그리고 시동 토크와 같이 기준이 명확한 범위를 비교할 수는 있다. 정밀도에 영향을 미치는 선형 액추에이터의 양상에는 가이드 레일과 레일의 배선이 얼마나 정확한지, 블록과 볼이 얼마나 원활하게 순환하는지 등이 포함된다. 이 글에서 논의하고 있는 이동은 4피트 이하이기 때문에 재순환 볼의 약간의 변형이나 간극은 정확한 움직임과 위치 결정에 영향을 미칠 수 있다. 이 크기 범위에서 최적의 정확도를 위해서는 가이드 레일을 정밀 지반 처리하는 것이 중요하다.

슬라이드 블록과 볼 나사 자체도 마찬가지이다. 또한 위치 정확도를 보장하기 위해 이동로의 볼 홈 내에 있는 볼에는 반사를 허용하는 간격이 없어야한다. 시장에 출시된 홈 디자인 중에서 표준 선택은 두 지점 또는 네 개 지점에서 레이스 웨이 홈과 접촉하는 볼 사이에서 이루어진다. 약간 타원형인 홈 디자인은 볼이 서로 반대되는 두 지점에서 접촉할 수 있게 하지만 접촉 지점에 수직인 볼의 측면에서는 약간의 간극을 허용한다. 네 점접촉 아치 디자인은 형태 때문에 고딕 아치라고 불린다. 고딕 아치는 변형을 초래할 수 있는 간격을 모두 제거하므로 최대의 정밀도가 요구되는 용도에 가장 적합하다.

볼 아치 디자인에 영향을 미치는 정밀도

부품 설계가 강도에 미치는 영향

볼 나사 액추에이터의 강성은 주로 가이드 레일의 구성에 의해 영향을 받는다. 이것은 시스템의 외부 구조이기 때문에 작동기의 지지대이며 견고성에 따라 배선 통로의 홈이 얼마나 지속적으로 정확한지에 따라 결정된다. 가이드 레일의 하단 가장자리의 두께와 강도는 강성에 매우 중요하다. U자형 외측 레일은 모멘트 하중에 대한 강성이 우수하다. 또한 볼 나사 중심보다 낮은 위치에 배치된 가이드 레일은 레일 강성을 높인다. 재순환 볼의 홈이 레일의 하단에 가까워지면 블록이 무거운 하중을 전달할 수 있다. 보다 단단한 U자형 스타일 레일과 결합하면 변형이 적고 정확도가 향상되기 때문에 이 설계를 통해 한 줄로 응용할 수 있다. 볼 나사 중심보다 낮은 위치에 배치된 레일을 유도하는 것의 또 다른 이점은 보다 강력한 소형화이다.

낮은 볼 홈으로 강성 증가

강성에 영향을 미치는 것은 볼 회로의 수이다. 4 개의 볼 회로는 모든 볼 회로 (볼, 가이드 레일, 블록, 볼 스크류)가 동일한 두 개의 볼 회로보다 높은 강성을 제공한다.

애플리케이션 스피드가 액추에이터 사이징에 미치는 영향

적용 분야에 따라 액추에이터가 이동해야하는 속도가 볼 나사 리드 길이를 결정하는 요인이 된다. 원하는 이동 시간이 빠를수록 리드의 길이는 길어야 한다. 그러나 더 높은 정확도를 얻으려면 작업에 가능한 한 짧은 리드를 사용하는 것이 가장 좋다. 속도와 길이는 직접적인 상관관계가 있다. 예를 들어 모터의 회전이 20㎜ 리드를 포함하는 50rps 라고 가정하면, 속도는 1,000㎜/s 이고, 리드가 2㎜일 경우 100㎜/s가 된다. 리드 길이가 짧을수록 작은 모터를 사용하여 무거운 부하를 이동할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 같은 속도를 얻기 위해서는 리드가 짧을수록 모터가 커야한다.

액체와 미립자 물질 다루기

볼 나사 액추에이터 시스템은 일반적으로 금속 커버와 함께 사용할 수 있다. 그러나 표준 금속 커버에는 커버와 가이드 레일 사이에 간격이 있다. 따라서 액체나 미립자 물질이 시스템에 유입될 수 있는 환경에서는 적합하지 않다. 이는 냉각제가 사용되는 제조 또는 제조 응용 분야에서 일반적인 상황이다. 일반적으로 사용자 정의 옵션인 아코르디안 주름형 벨로우즈형 덮개를 사용할 수 있다. 아코르디안 주름형 벨로우즈형 덮개는 유체와 입자 물질에 영향을 받지 않도록 설계되었을 뿐만 아니라 금속 커버를 대체하고 가이드 전체를 커버할 수 있다.

자료제공 : NB Corporation of America