임베디드 모션 시스템의 강력한 장점

Bell-everman

기계를 제작하는 경우 액추에이터와 포지셔닝 스테이지를 매일 사용하게 될 것이다. 그러나 이러한 모션 장치로부터 최상의 성능 또는 최저 비용을 얻을 수 있을까? 정답은 예상과 다를 수 있다.   엔지니어는 스테이지 또는 액추에이터를 BOM의 또 다른 아이템으로 생각하는 경우가 너무 흔하다. 모션 장치가 원하는 포지셔닝, 힘, 페이로드, 속도 그리고 비용을 충족시키는 동안은 그대로 사용하는 것이 좋다.

스테이지 또는 액추에이터는 간단한 모션 요구 사항을 어느 정도 수용할 수 있다. 복잡한 모션 요구 사항이 있는 기계는 임베디드 모션 설계 전략으로 혜택을 얻을 수 있다. 임베디드 모션 시스템은 플러그 앤 플레이 기계 서브 시스템으로 사전에 정해진 물리적 공간에 맞도록 설계되어 있다.

임베디드 모션 시스템은 기계의 모션 제어 시스템과 연결해 최상위의 컴퓨터 인터페이스, 컨트롤 카드 또는 PLC 명령을 수용한다. 가장 간단한 경우 임베디드 모션 시스템은 드롭 인 설치를 보다 쉽게 하기 위해 커넥터로 구성된 스테이지 또는 액추에이터로 구성할 수 있다. 가장 복잡한 경우 모션 서브 시스템은 핀 아웃에서 페이로드로 확장된다. 이는 모션 장치 자체 뿐만 아니라 이동시키는 모든 것을 포함하고 있다.  모션에 대한 구성 요소별 접근방식과 비교하면 임베디드 모션은 다음과 같은 몇 가지 강력한 장점을 제공한다:

기계적 성능: 동일한 스테이지 또는 액추에이터를 사용하더라도 임베디드 모션 시스템은 컴포넌트 구성 모션 시스템보다 일반적으로 성능이 더 우수하다. 그 이유는 애플리케이션 및 어셈블리 전문 지식에 있다. 우수한 임베디드 모션 공급 업체는 까다로운 포지셔닝 문제를 해결할 수 있는 다년간의 경험과 고객 맞춤형에 맞는 입증된 모션 구성 블록들을 지니고 있다. 그들은 스테이지 운동학 및 모션 제어 아키텍처 그리고 운영 환경이 포지셔닝 요구 사항에 어떤 영향을 미치는지에 대해 자세히 이해하고 있다.  조립과 관련하여 많은 기계 제작 업체에서는 숙련된 기술자, 특수 설비, 레이저 간섭계와 가장 정밀한 다축 스테이지를 정렬하는 데 필요한 기타 계측 시스템이 부족하다(축 간 정렬 공차가 마이크론 단위로 측정됨).

제어 전문 지식: 임베디드 모션 시스템은 고객 요구 사항에 따라서 모션 제어도 함께 제공된다. 그러나 제어 전략은 늘 임베디드 모션 방정식의 일부여야 한다. 우수한 임베디드 모션 벤더는 다양한 모션 컨트롤 플랫폼과 운동학적 기능이 기계 모션 시스템과 어떻게 상호 작용하는지에 대한 광범위한 지식을 보유하고 있다. 이러한 지식을 통해 허용 가능한 관성 불일치 비율과 같은 동적 성능과 관련된 가능한 것을 설계에 반영한다.

신뢰성: 새로운 모션 시스템을 시운전 할 때 가장 흔하게 발생하는 문제 중 하나는 중요하지 않아 보이는 구성 요소가 제대로 작동하지 않거나 또는 서로 함께 작동하지 않는 것이다. 때론 단 하나의 결함이 있는 커넥터 또는 잘못된 와이어는 최고의 모션 스테이지조차도 움직이지 못하게 할 수 있다. 임베디드 모션 시스템은 이러한 유형의 고장을 방지하기 위해 생산 기계에 통합하기 전에 시스템 차원에서 조립과 테스트를 거친다. 개별 구성 요소의 모션 시스템을 사용하면 생산 기계에 결합될 때까지 작은 오류와 비 호환성을 감지할 수가 있다.

비용 절감: 일반적으로 컴포넌트 기반 시스템보다 25~50% 저렴하다. 이러한 절약은 브래킷, 커넥터 및 기타 구성 요소를 설계함으로써 부품 수를 줄이는 데서 비롯된다. 모션 시스템 구축과 설치와 관련된 숨겨진 비용 요소를 고려하면 비용 절감은 50%를 크게 상회할 수 있다. 여기에 설계 엔지니어링, 재고, 출시 기간 등의 비용도 포함된다.

여러가지 유형의 애플리케이션에 임베디드 모션의 이점을 활용할 수 있다. Bell-everman은 이런 접근 방식을 수십 개의 반도체, 습식 벤치, 레이저 절단, 포장 및 실험실 자동화 기계에 구현했다.   다음 사례 연구에서 임베디드 모션 솔루션 없이 성능 및 비용 요구 사항을 충족할 수 없는 두 가지 애플리케이션을 설명하고자 한다. 하나는 정밀 반도체분야의 싱귤레이션 공정을 위한 리니어 임베디드 모션 시스템이다. 다른 하나는 Bell-everman이 독특한 유형의 CNC 기계를 위해 만든 회전 모션 하위 시스템이다.

반도체 생산용 리니어 스테이지

스택형 스테이지(Stacked stages)는 개별 축의 모음으로 설계하고 구축할 때 정렬 및 제어 문제로 인해 어려움을 겪을 수 있다. 스택형 스테이지가 까다로운 위치 정확도 또는 속도 요구 사항을 충족해야 하는 경우 스테이지를 하나의 통합 시스템으로 보는 것이 중요하다. Bell-everman는 최근 반도체 싱귤레이션 공정을 위한 스택형 스테이지를 제공했다.

이 스테이지(다축)에는 두 가지 매우 다른 유형의 이동을 수행할 수 있는 다목적 리니어 드라이브 시스템이 필요했다. 하나는 400mm/sec의 긴 이동 거리였으며, 다른 하나는 13밀리미터의 짧은 고속 이동으로 150msec 안에 10um으로 설정되어야 했다. 시스템에서 낮은 축 기준에서의 이동 질량은 38Kg이며, Renishaw 광학 리니어 엔코더 기준(1um) 에서 양방향 정확도는 ±5um가 목표다.

고객은 처음에 기존 XY 볼 스크류 스테이지 디자인을 사용하려고 했으나 큰 오차로 인해 원하는 모션을 달성하지 못하고 요구된 처리량을 충족하지 못했다. 이론적으로는 모션 요구 사항을 충족시키는 볼 스크류 기반 디자인을 고안 할 수 있었다. 그러나 이러한 설계에는 프로젝트의 목표 비용을 초과하는 고가의 제로 백래시 볼 스크류와 엔코더가 필요하다.

다음으로는 리니어 모터를 사용했다. 원하는 모션을 수행할 수는 있지만 이 애플리케이션의 리니어 모터는 요구되는 연속 힘 300N을 충족하는 데 긴 모터 코일로 인해 고가의 비용이 든다. 이 코일의 길이를 위해서는 기계에 대한 전체 설계 변경이 필요했을 것이다. 그리고 리니어 모터의 비용은 고객의 비용 목표보다 50 % 이상 높았을 것이다.

궁극적으로 고객은 ServoBelt Linear 드라이브 기반의 임베디드 모션 시스템을 선택했다. 이중 루프 제어를 거부하고 단일 리니어 엔코더로써 단일 루프 제어를 선호하는 반 직관적인 제어 전략을 택했다. ServoBelt 모션 시스템은 비싼 리니어 모터를 능가하는 솔루션을 제공했다:

•제로 백래시 솔루션: 이 애플리케이션에서 빠른 인덱스 모션을 달성할 수 있는 유일한 방법은 리니어 엔코더를 사용하여 서보 루프를 닫는 것이다. 모터에서 페이로드에 이르기까지 실제로 백래시가 없는 드라이브 라인이 필요했다. ServoBelt는 백래시가 없다.

•고유 댐핑: ServoBelt는 본질적으로 우수한 기계적 댐핑을 제공하여 매우 높은 튜닝 게인(일반적으로 속도 및 위치 게인의 4배)을 허용한다. 이것은 매우 낮은 정착 시간을 의미한다. 이와 대조적으로 리니어 모터는 서보 앰프 전자 장치에서 시뮬레이션을 동작해서 가능한 위치 게인이 본질적으로 감소하게 한다.

•컴팩트한 플러그 앤 플레이 시스템: 단일 유닛으로 설계, 조립 및 납품됐다. 납품전에 중요한 정렬과 기능 테스트 그리고 시운전 및 문제 식별을 수행했다. 엠베디드 모션 시스템에 의해 사전 정의된 물리적 공간 요구 사항도 충족할 수 있었다.

가공 표면 처리를 향상시키는 회전 모션

3축 CNC밀링 머신은 절삭 공구를 위치시키기 위해 일반적으로 리니어 모션 시스템에 의존한다. Bell-everman은 최근 의료용 세라믹 밀링을 위해 개발한 임베디드 CNC 플랫폼으로써 다른 방법을 선택했다.   기존의 3축 리니어 모션 시스템 대신에 개발한 이 새로운 데스크탑 크기의 기계는 회전과 선형 장치를 결합하고 있다. 두 개의 ServoBelt 100로 구성된 이 회전 장치는 서로 마주보고 있다. 회전 장치 중 하나는 150,000 RPM의 공기 구동 스핀들이 있다. 다른 회전장치는 공작물을 고정하고 180도 회전하여 양면 가공이 가능하다. ServoNut 액추에이터로 구동되는 선형 축을 사용하여 커팅 헤드가 있는 회전 장치가, 공작물 홀딩 회전을 기준으로 축 방향을 향해 이동한다.

가공 작업 중에 세 장치 모두 동기화되어 움직인다. 선형 축은 Z축의 포지셔닝을 수행하며 절삭 공구를 공작물 표면으로 가져온다. 두 개의 서보 벨트는 회전하므로 절삭 공구는 40x40x40mm의 부피를 가지고 공작물 표면 어느 지점에나 도달 할 수 있다.

회전식 디자인은 중요한 기술적 이점을 제공한다. 우선 회전 스테이지는 매우 높은 강성을 나타낸다. 이는 애플리케이션의 가공 공차를 충족시키는 데 중요하다. 또한 윤활이 영구적이어서 유지 보수 비용을 절감하고 오염 가능성을 줄인다. 마지막으로 밀봉된 솔루션을 제공함으로 절삭유와 날아다니는 세라믹 먼지로부터 모션 부품을 보호한다.

두 회전 스테이지 모두 절삭 챔버 벽의 간단한 회전 씰을 통해 연장되어 있다. 이 시스템에서 좌표상의 모션을 하려면 CNC 운동학을 다시 생각해야 한다. 대부분 절삭 공구와 공작물의 회전 포지셔닝에는 직교 좌표계가 아닌 극좌표를 사용해야 하기 때문이다. 제어기는 여전히 XYZ- G 코드로 명령을 내리지만 극좌표로 실시간 변환해야 하기에 쉬운 일이 아니다.

왜 이런 노력을 해야 할까? 회전 모션이 세라믹 부품 표면에 매끄러운 표면을 생성할 때 선형에 비해 고유한 장점이 있다. 바로 볼이 베어링 홈 사이에 장착되어 재순환을 할 때 ‘럼블(rumble)’로 나타난다는 것이다. 이는 볼 스크류 또는 최상의 선형 베어링에서도 나타날 수 있다. 이 볼의 럼블은 모션 시스템을 통해 표면에 잔향을 일으키며 주기적으로 전달된다. ServoBelt 회전 스테이지는 직경이 큰 로터리 베어링을 사용하기 때문에 볼 럼블 문제를 완전히 해소한다.  이 새로운 CNC 머신은 이상적인 임베디드 모션 애플리케이션의 모든 특징을 지니고 있다:

•제어 및 기계 전문 지식: 극좌표 운동에 대한 복잡한 운동학을 지원하는 제어 및 앰프와 기계 시스템을 결합하려면 시스템에 접근해야 하고 수개월의 테스트가 필요했다. 이 새로운 CNC 시스템을 구축하기 위해서 일련의 정렬 기술과 도구를 개발했다.

•컴팩트한 디자인과 쉬운 통합: 데스크탑 크기의 CNC 머신은 공간이 부족했다. 큰 관통 구멍이 있는 ServoBelt Rotary의 디자인을 통해 사용 가능한 공간을 효율적으로 사용할 수 있었다. 100mm 관통 구멍을 통해 공기 공급 장치를 스핀들로 바로 가져 가고 가공물 쪽에 재료 공급장치를 내장하고 필요한 모든 전원을 연결할 수 있었다.

•비용 제한: 임베디드 모션 시스템의 흥미로운 장점 중 하나는 필요 이상으로 복잡하지 않다는 것이다. 주요 기능 요구 사항은 포지셔닝 정확도가 아니라 표면 처리와 관련이 있다. 포지셔닝 요구는 실제로 bell-everman의 표준에 따라 매우 적당하다. 따라서 직접 판독 엔코더를 포기하고 전체 시스템을 개방 루프 모드로 실행할 수 있었다. 이로 인해 고객은 기계 당 수천 달러를 절약했다.

Embedded 모션 사용의 첫 단계
컴포넌트 별 모션 시스템에서 임베디드 모션 시스템으로의 전환은 생각의 큰 전환처럼 보일 수도 있다. 모션 서브 시스템이 공장에서 완벽하게 테스트되고 보증되면 현장 생산기계에 조립될 때 비용도 매우 절감된다.

 

자료 제공: Bell-everman(www.bell-everman.com)