의료 장비 애플리케이션을 위한 정밀 볼 스크류 액추에이터 ‘MBSA 시리즈’
21세기 동안 우리 사회는 의료 기기 및 임상 실험실 애플리케 이션을 위한 첨단 기술을 통해 새로운 솔루션을 발견하는 데 앞장서 왔다.
이러한 혁신적인 솔루션은 선형 운동을 활용하여 최첨단 의료 영상, 진단 및 수술 장비를 개발했다. 선형 운동은 모든 종류의 첨단 장비와 기계에 공통적으로 필요한 기능이다. 의료 산업 내의 여러 응용 분야에서 정확하고, 매끄럽 고, 신뢰할 수 있으며, 반복 가능한 선형 운동은 근본적으로 중요하다. 정밀 연삭 볼 스크류는 매끄럽고 정확한 움직임을 제공하여 신뢰할 수 있고 반복 가능한 결과를 보장하기 때문에 정밀한 선형 운동에 가장 선호되는 선택이다.
▲ 혈액 분석기에 사용되는 볼 스크류 액추에이터
선형 스크류 액추에이터의 크기를 줄이면서도 정밀도를 유지 해야 한다는 요구는 여러 의료 진단 및 영상 응용 분야에서 분명하게 드러난다. 데스크톱 혈액 분석기와 같은 진단 장치는 자동차 크기의 이전 제품에 비해 더 빠른 속도와 더 높은 정확 도로 여러 샘플을 처리할 수 있다.
의료 업계 종사자들은 정밀한 수준의 약물을 정확하게 투여하기 위해 주사기 펌프에 있 는 작은 볼 스크류 액추에이터에 의존한다. CT 스캐너와 같은 영상 응용 분야에서 작은 액추에이터는 조리개판을 배치하여 X-선 빔을 제어한다. 이러한 각 응용 분야에서 리드 스크류 또는 볼 스크류는 작은 전기 모터와 결합되어 모터의 회전 운동을 직선 운동으로 변환한다.
▲ 리드 스크류 너트와 샤프트
리드 스크류 VS 정밀 연삭 볼 스크류
의료 응용 분야에서 직선 운동을 달성하기 위해 전통적인 솔루션은 리드 스크류와 전기 스테핑 모터를 결합하는 것이다.리드 스크류는 샤프트에 V자형 나선형 나사산과 너트 내부에 일치하는 나사산을 사용한다. 리드 스크류는 너트 나사산과 샤프트 나사산 사이의 슬라이딩 접촉에 의존하여 직선 운동을 생성한다.
리드 스크류의 장점은 결합 나사산의 접촉 표면적이 넓기 때문에 지지할 수 있는 축 방향 하중에 비해 너트가 작다는 점이 다. 그러나 서로 마찰하면서 미끄러지는 평평한 표면은 마찰로 인한 열을 발생시킨다. 마찰을 극복하기 위해서는 큰 모터가 필요하다. 결과적으로, 이 솔루션은 부드럽고 일관된 동작을 제공하지 못하며 상당한 마모로 인해 더 많은 유지보수를 필요로 하게 된다. 백래시는 너트 나사와 샤프트 나사 사이의 간격으로 인해발생하는 일반적인 리드 스크류 설계에 내재되어 있다. 백래시는 스크류의 선형 위치 결정 정확도에 영향을 미친다. 그러므로 백래시를 최소화하거나 제거해야 한다.
▲ NSK의 MBSA 시리즈
▲ 정밀 연삭 볼 스크류 고딕 아치 레이스웨이
정밀 연삭 볼 스크류의 글로벌 제조업체인 NSK는 정밀 연삭볼 스크류를 전기 스텝핑 모터에 통합하여 새로운 MBSA 시리즈를 개발했다. 리드 스크류와 마찬가지로 볼 스크류도 샤프트와 너트 내부에 헬리컬 나사산을 가지고 있지만, 볼 스크 류는 너트와 샤프트 사이에 정밀 볼 베어링을 사용한다.따라서 볼 스크류의 나사산 프로파일은 리드 스크류의 나사산 프로파일과 다르다. 볼 스크류에는 정밀 볼 베어링을 수용 하기 위한 U자형 홈 또는 고딕 아치가 있다.
너트의 나사산 프로파일은 외부 궤도 역할을 하고, 볼 스크류 샤프트의 홈은 볼베어링의 이동을 위한 내부 궤도 역할을 한다.볼 베어링은 너트와 샤프트 사이에 구름 접촉점을 제공하여 마찰 계수를 낮춘다. 그 결과, 회전 운동을 직선 운동으로 변환 하는데 필요한 토크가 적고 효율성이 높은 메커니즘이 탄생했다. 따라서 볼 스크류는 의료 분야에내재된 문제 해결에 더 적합하다. 정밀 연삭된 볼 스크류를 사용하면 리드 스크류 솔루 션에 비해 작동 온도가 낮고, 움직임이 부드러우며, 모터 크기가 작고, 에너지 소비가 적고, 마모가 적고, 수명이 더 길다.
▲ 볼 스크류와 리드 스크류의 효율성 비교
NSK는 너트 본체의 작은 크기 제약 조건을 준수하기 위해 브리지형 디플렉터 재순환 부품을 사용하여 인접한 볼 스크류홈 또는 전동면 사이에서 볼 베어링을 안내함으로써 볼 스크 류에 필요한 재순환을 제공한다. 디플렉터는 너트 본체 외경의 표면 아래에 위치하기 때문에 이 영역은 너트에 부착된 기기 또는 구성품의 안내면으로 사용할 수 있다.
▲ 디플렉터형 볼 스크류
백래시를 방지하는 방법
나사 축과 너트 사이의 반동 또는 축 방향의 유격을 제거하기 위해 NSK는 약간 큰 공을 사용하여 가벼운 예압을 생성한다. 공의 탄성 변형은 너트와 나사 축 사이에 내부 힘을 생성하여 간극을 제거한다. 그 결과, 축 회전과너트의 선형 운동 사이에 반동이 전혀 발생하지 않고, 볼 스크류 너트에 부착된 물체가 정확하게 선형으로 움직인다. 이 예압은 다방향 축 방향 하중이 있는 의료 응용 분야에서 더 나은 위치 제어를 가능하게 한다.
▲ 대형 볼 베어링을 사용한 볼 스크류 예압으로 4개의 접촉점 생성
높은 위치 결정 정확도는 백래시를 제거하는 예압 너트가 있는 정밀 연삭 볼 스크류의 결과이다. 리드 정확도는 볼 스크류 너트가 한 축 회전할 때 실제 이동한 선형 거리와 이론적 이동 거리 (리드와 동일)의 차이를 계산하여 측정한다.
국제 표준화 기구 (ISO)는 정밀 볼 스크류에 대한 리드 정확도 표준을 설정했다.정확도를 개념적으로 시각화하기 위해, 평균적인 사람의 머리 카락은 직경이 0.080mm이다. MBSA 시리즈의 경우, NSK는축 회전당 0.006mm의 리드 정확도를 가진 C3 정확도 볼 스크류를 사용한다.
볼 스크류와 결합된 스테핑 모터는 회전당 200 카운트를 가지며, 1mm 리드 볼 스크류의 모터 해상도는 0.005mm이다. 300mm(또는 1피트) 이동 거리에서 리드 정확 도를 측정할 때, C3 정확도 볼 스크류의 실제 너트 위치 편차는 이론적 너트 위치로부터 최대 0.008mm이다. 이에 비해 리드 스크류의 경우 300mm 이동 거리에서 최대 0.250mm의 편차를 보일 수 있다. 따라서 MBSA 시리즈는 매우 정밀한 의료 기기 및 실험실 장비를 위한 최적의 솔루션이다.
볼스크류와 모터의 통합
MBSA 시리즈 개발 과정에서 NSK는 전기 모터 출력축을 볼스크류 축의 일부인 저널로 대체했다. 모터는 볼스크류 축을 직접 회전시켜 너트를 직선 운동으로 변환한다.
이 디자인은 별도의 모터-볼 스크류 커플링이 필요하지 않다. MBSA 시리 즈는 시스템 관성을 줄이고 모터와 볼 스크류가 별도로 장착될 때 발생할 수 있는 정렬 오류를 제거하는 컴팩트한 공간 절약형 디자인을 가능하게 한다. 이 새로운 제품 시리즈는 손바 닥에 들어갈 정도로 작다.MBSA 시리즈는 또한 스테핑 모터의 뒷면에 장착된 구성 가능한 인코더를 수용할 수 있도록 설계되었다. 스테핑 모터는 다양한 컨트롤러/드라이버와 통신할 수 있다. 고객은 원하는 컨트롤러/드라이버를 선택하여 커스터마이징할 수 있다.
자료제공: NSK(www.nskamericas.com)
