고정밀 정량토출 분사를 위한 제어 구조 최적화 방안

Performance Motion Devices

개요

자동 액체 처리 시스템은 정확한 액체 분사(dispensing)에 선호된다. 액체 분사를 위한 두 가지 공통 아키텍처는 콘택트(contact)와 제트(jet) 디스펜싱이다.
기계식 주사기(mechanical syringe)로 콘택트 디스펜싱을 사용할 수 있다. 제트 디스펜싱이 더 빠른 프로세스이긴 하지만, 콘택트 디스펜싱이 더 정확하다. 접착제 같은 것을 붙일 때 선(line) 디스펜싱을 사용한다. 보통, 선은 근접해야 하므로, 콘택트 디스펜싱을 주로 사용한다. 주사기의 추가 기능으로 분사가 있으며, 제트 디스펜싱에서는 불가능한 흡입도 가능하다.

분사된 액체의 양을 조절하는 것은 애플리케이션에서 매우 중요하다. 특히 분사된 액체 형상의 영향을 받는 ‘Keep-Out-Zone’이 그러하다. 액체의 형상이 주사기 팁 노즐 단면의 크기와 같거나 더 작은 곳은 제어 문제가 추가로 발생한다. 이러한 크기에서는, 노즐 팁의 액체 메니스커스(meniscus, 액체 표면의 곡선)가 중요해진다.

액체 취급 시스템의 자동화는 주사기 플런저의 위치와 노즐 높이가 작동 시 매우 정확하게 제어되어 동적으로 움직일 수 있도록 한다. 시스템의 중요한 기능은 작업 표면과 접촉할 때나 노즐이 후퇴할 때의 메니스커스 높이를 제어하는 ​​것이다. 노즐이 최적의 높이보다 너무 멀리 벗어나면, 분사된 액체 형상은 용인되지 않는다.
액체가 작업 표면에 접촉한 후, 노즐과 플런저의 모션 또한 분사액의 형상을 제어하는 ​​데 중요하다. 만약 애플리케이션에서 액체를 ‘점(dot) 형상’으로 분사하면 플런저는 계속 아래로 이동하고, 그동안 노즐이 위로 움직인다. 그러나 애플리케이션 중에는 일정 주기 휴지를 취하는 것도 있다. 만약 애플리케이션이 액체를 ‘선 형상’으로 분사하면 제어 매개 변수(노즐 높이와 플런저 위치)는 같고, 다만 작업 표면을 따라 이동하는 노즐이 중요해진다.

보통 위에서 설명한 동작을 위해 작은 전기 모터를 선택한다. 설계자는 오픈 루프 아키텍처(스텝 모터)나 폐 루프 아키텍처(브러시나 브러시리스 모터) 중에서 선택하게 된다. 더 작은 스텝 모터는 그보다 큰 브러시리스 모터와 같은 토크를 생성하고, 스텝 모터는 위치 피드백이 필연적으로 필요하지 않으므로, 스텝 모터가 적합해 보인다.

주사기 시스템 설계

주사기를 작동시키는 모터가 시스템의 핵심이지만, 노즐의 높이와 이동을 제어하는 ​​ 모터들 역시 매우 중요하다. 주사기 모터는 필요한 토크를 생성할 만큼 충분히 커야 한다. 그러나 크기는 기계의 모터 위치에 따른 기하학적 구속 조건에 제한된다. 무게 역시 노즐과 함께 움직이므로 제한이 있다. 기계 기능을 극대화하기 위해, 일반적으로 액체 취급기에 주사기 클러스터를 만든다.

이렇게 하면 모터를 위한 수평 공간은 최소화하고 중요한 수직 공간은 확보할 수 있다. 모터를 수직으로 장착할 수 있으므로 설계자는 작은 지름의 모터를 선택하고 기어 박스를 추가하여 토크를 증가시킨다. 유성 기어 박스는 직경을 늘리지 않고 모터에 길이와 토크를 효과적으로 늘린다. 리드 스크루는 출력 기어의 회전을 주사기의 수직 이동으로 변환하는 데 사용된다. 기어와 리드 스크루의 영향은 단일 변환 비율과 효율 값으로 표시된다.

100uL 부피의 액체를 흡입과 분사할 수 있는 주사기를 선택했다. 0.04mm/rad의 기구학적 비율과 80%의 효율을 제공하는 유성 기어와 리드 스크루 어셈블리가 선택되었다.
모터의 기계적 부하는 플런저/베셀 경계면의 접촉으로 발생하는 마찰과 기어 어셈블리의 마찰 손실, 모터 로터 관성, 기어 어셈블리 관성의 결과다. 쿨롱과 점성 마찰(Coulomb and viscous friction)이 모두 존재한다. 최대 3mNm 토크를 내는 직경 12mm의 스텝 모터가 선택되었다.

따라서 시스템 아키텍처는 위치 피드백이 없으므로 오픈 루프이다. 증분 포지션 엔코더의 비용은 들지 않지만, 포지션이 정확하게 제어되지 않고, 스텝 모터의 응답이 필요하다.

이 시점에서, ‘원하는 분사액의 형상을 얻으려면 포지션 루프가 필요한가’라는 중요한 구조적 질문이 생긴다. 포지션 루프 폐쇄에는 포지션 피드백이 필요하다. 따라서 폐 루프 아키텍처를 위한 포지션 엔코더(500cpr)가 추가된다. 서보모터(Brushed와 BLDC)에서 포지션 루프를 연결하는 것이 더 일반적이지만, 스텝 모터에서도 가능하다. 일관성을 위해 같은 스텝 모터가 두 아키텍처에서 모두 사용된다.

방법

애플리케이션 종속성

분사액 형상의 요건은 분사 과정에서 플런저에 허용되는 위치 공차에 영향을 미친다. 이러한 요건은 애플리케이션에 따라 다르다. 예를 들어, 점 형상을 분사할 때 플런저가 원하는 동작은 간단하며, 모터의 포지션 응답이 정상 상태가 되도록 하는 일시 멈춤을 포함한다. 멈춤이 충분히 길었다 판단되면, 모터에 작용하는 유일하게 중요한 시스템 레벨 힘은 플런저/베벨 경계면과 베어링의 쿨롱 마찰이다.

이와 반대로 선 형상을 분사할 때, 필요한 플런저의 모션은 멈추지 않을 것이다. 더욱 복잡한 공정에서, 표면의 접착성과 용액의 표면 장력으로 라인 단면에 ‘dog bone effect’가 발생할 수 있다. 분사액이 KOZ(Keep-Out-Zone)에 들어가면 프로세스가 잘못될 수 있다(빨간색으로 표시된 영역).

dog bone effect의 해결법으로 선진 기술이 필요하다. 동적 분사 제어, 즉 헤드 동작과 관련된 분사 비율로 문제를 완화할 수 있다.
두 아키텍처의 성능 차이는 ‘suck back’ 프로세스를 사용하는, 더 복잡한 라인 분사 프로세스의 애플리케이션으로 조사할 수 있다. 애플리케이션은 낮은 표면 장력을 갖는 흡수성 표면과 용액과 관련된다. dog bone effect를 피하는 데 suck back 과정이 필요하다. 즉, 첫 접촉 후 플런저가 일시적으로 위쪽으로 움직이는데, 이것은 표면의 첫 번째 접촉 흐름 서지를 막아 액체 기둥 상단의 압력을 줄인다. 이것은 또한 선의 방향으로 노즐의 이동이 시작되는 지점이기도 하다.

아키텍처 분석

그림 4는 주사기가 분사하려고 아래로 움직이기 시작할 때의 분석 시작점을 보여준다(t=0). suck back 공정은 액체가 표면과 처음 접촉할 때 시작된다(t=80ms).
그다음, 주사기는 방향을 바꾸어 첫 번째 접촉 흐름 서지를 막으려 흡입기 (양) 방향으로 움직인다. 선의 방향으로 노즐의 이동이 시작된다. 약 50ms 후 suck back 과정이 종료되며 노즐 이동이 최고 속도에 달한다.

또한, 그림 4는 오픈 루프(orange)와 폐 루프(red), 두 경쟁 아키텍처의 포지션 응답을 보여준다. 그 효과는 포지션 오차 데이터인 그림 5에서 더 잘 보인다.
폐 루프 아키텍처는 오픈 루프에 비해 위치 오류를 최소화한다. 오픈 루프에는 존재하지 않는 위치 오차를 최소화하는 제어 루프가 있으므로 놀라운 결과는 아니다. 또한, 그림 2에서처럼, 전류 루프는 권선 전류 측정과 더불어 포지션 피드백 신호를 사용한다.

suck back 프로세스에서 오픈 루프 응답의 포지션 오류는 폐루프 오류보다 몇 배 더 크다. 오류는 양의 값이다. 즉, 상당한 지연이 발생하고, 액체 기둥 상단의 압력이 유량에 적당히 영향을 줄 만큼 감소하지 않는다. 그 결과 오버플로는 dog bone effect가 KOZ를 침범할 정도로 커질 수 있다.

오픈 루프 오류 개선을 위해 가속도와 속도 값을 변경하여 이동 속도를 줄인다. 그러나 선을 분사하는 데 필요한 시간이 증가하므로 시스템의 처리량이 감소한다. 또한, 기어/리드 스크루 조립체의 감속비를 감소시키는 방법도 있다. 이것에는 몇 가지 단점이 있다. 일단, 모터가 더 빨리 회전해야 하므로 정격 속도를 초과한다. 또한, 효율이 감소하여 열적 파워 손실이 증가할 수도 있다.

결론

액체 취급 기계의 시스템 설계자는 항상 두 아키텍처를 모두 고려해야 한다. 오픈 루프 아키텍처는 포지션 피드백을 포함하지 않으므로, 응답이 수용 가능한 경우에 사용해야 한다. 그러나 오픈 루프 응답으로 프로세스 오류가 발생하는 액체 처리 애플리케이션도 있다.

이 경우 폐 루프 아키텍처를 사용하면 포지션 오류가 5배 이상 감소할 수 있다. 액체 흐름을 직접 제어하므로 주사기 모션이 중요하다. 그러나 설계 구조 비교는 여전히 경로를 따라 노즐을 이동시키는 모터 같은, 기계의 다른 모션과 관련이 있다.

자료 제공: Performance Motion Devices(www.pmdcorp.com)