플랙셔(Flexures) 유형의 장단점과 이동의 한계

Dover Motion

광자 자동화에 쓰기 위한 정밀 포지셔닝 분야를 조사할 때, 플랙셔 가이드웨이(guideway)는 많이 등장한다. 이는 언뜻 보면 기능에 아주 잘 맞는 것처럼 보인다.
그뿐만 아니라 제작하기 쉽고 비용이 저렴하며 제한된 이동의 애플리케이션에 적합하다. 그러나 면밀히 검토해 보면, 플렉셔의 약점이 많이 보이고 본질인 한계가 두드러진다.

플랙셔의 장점은 다음과 같다.

1. 움직임이 매끄럽고 연속되며 반복적이다.
2. 마모가 없다. 따라서 성능은 시간이 지나도 계속 이어진다.
3. 단일 일체형 재료로 제작할 수 있다.

그리고 단점은 아래와 같다.

1. 플랙셔는 짧은 이동으로 제한된다. 이것을 연장하려는 시도는 종종 역효과를 낳는다.
2. 플랙셔는 종종 여러 부품(예 : 판금 밴드)으로 이뤄진다. 이러한 설계는 낮은 교차 축과 비틀림 강성, 제한된 하중 용량, 치수 공차에 대한 높은 민감도 때문에 어려움을 겪는다.
3. 단순한 플랙셔에는 다른 축의 놀라운 수준의 기생 모션(parasitic motion)으로 나타난다.
4. 많은 플랙셔 설계는 평면외 운동에 대해 매우 낮은 강성을 갖는다.
5. 적절히 설계된 플랙셔까지도 구동 방향에 꽤 높은 강성을 갖게 돼 커다란 모터와 불필요한 가열로 이어질 수 있다.
6. 부하 용량은 낮을 수 있으며 과도한 고부하는 찌그러짐과 영구 변형을 일으킬 수 있다.

플렉셔의 한계를 더 잘 알기 위해 3가지 유형의 일반적인 플렉셔를 생각해 볼 수 있다(즉, 2가지 밴드, 컴파운드, 4 밴드). 우선, 더 단순한 단일 밴드 플랙셔를 고려해 본다(그림 1). 밴드 상단의 페이로드를 밀면 X 축에서 부드럽게 움직이지만 매우 큰 각도 기울임(O_Y)과 Z 축의 상당한 이동(밴드 길이를 따라)이 발생한다. 또한, 단일 밴드는 요(yaw)에서 매우 약하다(O_Z, 또는 밴드 길이 주위의 회전). 첫 번째 해결책은 더블 밴드 플랙셔로 고려해 보는 것이다(그림 2).

이것은 몇몇 플랙셔 스테이지 제조사들이 지금까지 얻은 것만큼, 2매의 심(shim, 얇은 철판)이 굴곡을 형성하고 있다.
이 디자인에는 심각한 단점이 있다. 후방 밴드는 캐리지가 그림 1의 단순 캔틸레버 방식으로 기울어지는 것을 방지하고 두 밴드가 ‘S 커브’ 방식으로 구부러지게 한다. X 축 운동 중에 Z 축 수축은 단일 대역의 Z 축 수축보다 상당히 감소하지만 무시할 수 없는 상태로 남아 이동과 함께 비선형으로 커진다. Z 수축의 크기는 단순히 0.6 ^* Travel²/Length이다. Z 축 수축의 제곱 항 때문에 플랙셔 캐리지의 한 점은 실제로 포물선 경로를 따라간다.

50 mm 길이의 +/- 2 mm 굴곡 가이드웨이의 극한 거리에서 Z 축 오차는 48 미크론이다. 이 오류는 제작상의 문제가 아니라 고유한 설계 기능이며 굴곡을 길게 하거나 이동을 줄이는 것만으로 줄일 수 있다는 점에 유의해야 한다.
원칙에서 각 굴곡 띠의 길이 수축은 똑같아야 하므로 O_Y를 제거해야 한다. 그러나 이 디자인의 허용 오차 민감도는 재료 두께와 길이의 아주 작은 변화에 대해 놀라울 정도로 높으며, 30~100 arc-seconds의 경사 오류가 일반적이다.

이러한 유형의 굴곡은 보통 드라이브 축에서 낮은 강성을 나타내며 수 밀리미터 범위의 주행을 허용하지만, 이 정도의 선형 혹은 각진 런아웃(run out)을 겪으면 유사한 선형 베어링이 스크랩 파일에 던져진다. 또 다른 약점은 낮은 비틀림(O_Z) 강성과 부하 용량이다. 하나의 굴곡 가이드웨이를 장착해 X-Y-Z 축 스택을 만들려고 할 때, 결과로 보면 공구 팁의 위치는 분명하지 않다.

위에서 설명한 선형(Z 축) 런아웃을 줄이는 좋은 수단은 2 밴드 굴곡이 복합 굴곡을 생성하도록 수정된 경우에 발생한다(그림 3). 이 경우 중간체는 지장 없이 부상할 수 있다. 이 부분은 2개의 밴드 플렉셔처럼 고정된 베이스에 대한 일반적인(즉, 큰) Z 축 런아웃을 나타내지만, 움직이는 캐리지는 중간 바디에 대해 동등하고 반대되는 Z 런아웃을 나타낸다. 그 결과 선형(Z 축) 오류가 거의 완벽히 제거된다.

이러한 개선이 있는데도 복합 플렉셔는 비틀림 강성과 관련해 2 밴드보다 상당히 악화되고 복잡성이 증가하며, 구현에 더 많은 공간이 필요하게 된다.
부품 공차와 똑같은 높은 민감도가 있지만, 굴곡 밴드수가 2배로 연속해서 작동하면 기울기(O_Y) 오류가 보통 두 배가 된다. 2 밴드 굴곡과 마찬가지로 하중이 가해지면 찌그러짐이나 변형이 일어나기 쉽다.

또한 필요한 경우 심 적재와 볼트 밴드 대신에 일체형 소재로 구현해야 한다. 복합 플랙셔는 4개의 밴드를 갖고 있지만, 2개의 2 밴드 플랙셔의 직렬 캐스케이드(누적, cascade)로 생각하면 아래에 설명된 실제 4 밴드 플랙셔와 구별할 수 있다.

성공적인 플랙셔를 위한 바람직한 유형은 4 밴드 굴곡에 있다. 이것은 오늘날 설계하고 제작하는 유일한 유형이며, EDM 방법으로 단일 플랙셔 소재를 써서 전체 굴곡을 높은 정밀도로 가공할 수 있다. 기본 설계는 그림 4에 표시됐으며 일반적인 단일 축 플랙셔의 사진이 그림 5에 있다. 이 플랙셔 디자인의 X-Y(2 축) 버전의 모서리가 그림 6에 나와 있다.

4 밴드(4-Band) 디자인에서 대향하는 굴곡 밴드는 운동을 직선으로 제한하고, 실질적으로 더 높은 비틀림 강성을 제공하며, 기본으로 찌그러짐의 오류를 없앤다. 굽힘 베인(vane, 날개)이 모션 중에 경험하는 S-커브 벤딩이 각 끝에 매우 가깝다. 때문에 베인은 두 곡률 영역 사이에서 직선이므로 베인은 중간에 두꺼워진다. 이는 작동하는 힘을 크게 키우지 않으면서 선형 혹은 비틀림 강성과 하중 용량을 늘린다.

또한 고부하 때문에 생기는 변형을 방지하기 위한 하드 스톱을 EDM 라우팅 경로에 쉽게 추가할 수 있다. 이 플랙셔 유형의 성능은 완전함에 가깝지만, 디자인은 밴드 4개 각각에 대해 장력이 증가함에 따라 비선형으로 커지는 인장 상태에서 작동한다.
결과를 보면 최적화된 재료가 선택되더라도 보수적인 디자인은 이동 능력이 제한된다. 지정된 치수의 플랙셔에 대한 이동 한계를 설정하는 한 가지 매개변수는 재료 피로 강도이다.

자료 제공 : Dover Motion(www.dovermotion.com)

주요기사