석정반 기반의 모션 플랫폼 – 메카니컬 베어링 사례 연구

애니모션텍

가장 적합한 석정반 기반의 리니어 모션 플랫폼을 선택할 때는 여러 요소와 변수를 고려해야 한다. 모션 플랫폼 관점에서 효과적인 해결책을 추구하기 위해 각 애플리케이션을 이해하고, 우선시해야 하는 고유의 요구 사항이 있다는 것을 인식해야 한다.

이에 대한 해결책으로 석정반 구조 위에 별도의 위치 설정 스테이지를 설치하는 방법(Stage-on-Granite)과 모션 축을 구성하는 요소들을 석정반 자체에 직접 통합하는 방법(IGM-Integrated-Granite Motion)이 있다.

이 기사에서는 기술과 재정 관점에서 기본적인 리니어 모션 플랫폼 디자인 두 가지를 평가한다.

배경 지식

IGM 시스템과 기존 Stage-on-Granite 시스템 사이의 유사성과 차이점을 확인하기 위해 두 가지 테스트 사례를 만들었다.

Test Case 1. 메카니컬 베어링, Stage-on-Granite
Test Case 2. 메카니컬 베어링, IGM

두 경우 모두 각 시스템은 세 개의 모션 축으로 구성된다.
Y축은 1000mm의 이동거리를 제공하며 석정반 구조물의 베이스 부분에 있다. X축은 400mm의 이동거리를 제공하고 브리지 상단에 있으며 이동거리가 100mm인 수직 Z축을 운반한다(그림 1 참고).

‘Y/X-Z 스플릿 브리지’ 배치가 적용된 모션 애플리케이션들은 하중 전달 용량이 크다는 공통점이 있다. 그 때문에 Stage-on-Granite 설계에서 Y축에 PRO560LM wide-body형 스테이지를 선택했다.
X축에는 브리지 축에 일반적으로 쓰이는 PRO280LM을 선택했다. PRO280LM은 설치 공간(크기)과 부하 무게를 운반하는 Z축을 이동시킬 수 있는 능력 사이에서 균형을 잘 이룬다.

IGM 설계의 경우 기초적인 설계 콘셉트와 레이아웃은 Stage-on-Granite와 거의 똑같다. 다만 축이 직접 화강암에 붙박이로 설치돼서 부품 소모가 적다는 차이가 있다.
두 테스트 사례에서 공통되게 Z축은 PRO190SL 볼 스크루 구동 스테이지를 선택했다. Z축은 충분한 부하 적재 용량과 상대적으로 작은 크기 때문에 브리지 수직 축에 일반적으로 쓰인다. Stage-on-Granite와 IGM 시스템의 구체적인 모습은 그림 2에 나와 있다.

기술 비교

IGM 시스템은 기존 Stage-on-Granite 시스템에 적용되는 다양한 기술과 구성 요소들을 사용해 설계됐다. 따라서 IGM과 Stage-on-Granite 시스템 사이에는 수많은 기술적인 특성이 공통으로 존재한다. 반대로 모션 축을 석정반 구조물에 직접 통합하면 두 시스템 사이에 몇 가지 차이점이 발생한다.

형태:

가장 확실한 유사점은 석정반에서 시작된다. Stage-on-Granite와 IGM 설계 사이에 특징과 설계 오차가 있더라도 석정반 베이스나 기둥, 브리지 등 전체적인 것은 동일하다. 이는 주로 Stage-on-granite와 IGM의 설계상 이동 거리와 허용한계 이동거리가 같기 때문이다.

구조:

가공된 축 베이스가 없는 IGM은 Stage-on-Granite 시스템에 견주어 장점이 있다. 더구나 구조적인 면을 보면 IGM은 구성 요소가 감소함에 따라 전체적인 축 강성이 증가하고, 석정반 베이스와 캐리지 표면 사이가 더 짧아지게 된다.

작업 높이가 낮을수록 더욱 콤팩트한 설계가 가능하며, 모터와 엔코더에서 작업지점까지의 기계적인 오프셋을 줄여 아베 에러(사인 오차라고도 한다. Ernst Abbe의 이름을 땄으며, 거리에 따른 각도 오차의 확대를 나타낸다.)가 감소해 결과적으로 작업지점에서의 위치 결정 성능이 향상된다. 이 사례 연구에서 검토된 IGM 설계는 작업표면 높이가 33%(120mm 대비 80mm) 더 낮다.

축 구성 요소:

두 사례들을 깊이 들여다보면, Stage-on-Granite와 IGM 솔루션이 리니어 모터나 엔코더와 같은 몇 가지 핵심 구성 요소를 공유한다는 것을 알 수 있다. 일반적인 포서(forcer)와 마그넷 트랙 선택은 동등한 힘 출력능력으로 이어진다. 마찬가지로 두 설계에서 동일한 엔코더를 사용하면 위치 결정 피드백에 똑같은 미세 분해능을 제공한다.

결과적으로 선형적인 정확성과 반복성은 Stage-on-Granite와 IGM 솔루션 사이에 큰 차이는 없다. 베어링 분리 혹은 허용오차를 갖는 유사한 구성 요소 레이아웃은 수직·수평 진직도(Straightness, 기하학적 형상공차), 피치, 롤, 요 등 기하학적 오차 모션의 측면에서 유사한 성능을 보인다. 결국 두 설계에서 케이블 관리, 전기적 리미트, 하드 리미트를 포함한 요소들은 외관은 다를 수 있지만 기능면에서는 근본적으로 동일하다.

베어링:

이 사례에서 가장 주목할 만한 차이점 중 하나는 리니어 가이드 베어링의 선택이다. 비록 재순환 볼 베어링이 Stage-on-Granite와 IGM 시스템 모두에서 쓰이지만, IGM 시스템은 더 크고 강성이 높은 베어링을 축의 작업 표면 높이를 키우지 않고 통합할 수 있다. IGM 시스템은 석정반 자체에 기반하기 때문에 별도로 가공된 구성 요소 베이스가 차지하는 공간을 더 큰 베어링으로 채우는 동시에 석정반 위 전체 캐리지 높이를 줄일 수 있다.

강성:

IGM 설계에서 더 큰 베어링을 사용하면 각도의 강성에 큰 영향을 미친다. Wide-body 하부 축(Y)의 경우, IGM 솔루션은 Stage-on-Granite 설계보다 40% 큰 롤 강성, 30% 큰 피치 강성, 20% 큰 요 강성을 제공한다. 마찬가지로 IGM의 브리지에서는 롤 강성이 4배, 피치 강성이 2배, 요 강성이 30% 향상된다. 높은 각도 강성은 동적 성능을 직접적으로 향상시키며, 이는 기계 처리량을 높이는 데 핵심적이다.

부하 용량:

IGM 시스템에서 대형 베어링은 Stage-on-Granite 시스템보다 실질적으로 훨씬 높은 부하 무게를 탑재할 수 있게 한다. 비록 Stage-on-Granite 시스템의 PRO560LM 베이스 축이 150kg의 부하 하중을 갖지만, IGM 시스템의 해당 축은 300kg의 하중을 수용할 수 있다. 마찬가지로 Stage-on-Granite 시스템의 PRO280LM 브리지 축은 150kg을 지원하지만, IGM 시스템의 브리지 축은 200kg까지 이송할 수 있다.

이동 무게:

IGM 축의 메카니컬 베어링에 적용되는 대형 베어링은 더 우수한 각도 성능과 훨씬 큰 부하 운반 용량을 제공하지만, 더 크고 무거운 운반대도 함께 제공된다. 추가로 IGM 캐리지는 부품 강성을 높이고 제조를 단순화하기 위해 Stage-on-Granite 축에서 필요한 일부 가공품이 쓰이지 않는다. 이 때문에 IGM 축은 Stage-on-Granite 축보다 더 큰 이동 중량을 갖게 된다. 뚜렷한 단점으로, 모터의 출력이 변하지 않는다고 가정할 때 IGM의 최대 가속도가 더 낮다는 것이다. 그러나 어떤 상황에서는 더 큰 관성이 외란(자동 제어계의 상태를 바꾸려고 하는 외적 작용)에 더 큰 저항을 제공할 수 있기 때문에 더 큰 중량이 유리할 수 있다. 이는 위치 안정성이 향상되는 것과 관련이 있다.

구조적인 동특성:

IGM 시스템의 높은 베어링 강성과 견고한 캐리지로 인한 장점은 외형을 분석한 FEA(Finite-Element Analsis) 소프트웨어 패키지에서 확인할 수 있다. 서보 대역폭에 영향을 주는 이동 캐리지의 첫 번째 공진을 조사한 결과, PRO560LM 캐리지는 400Hz에서 공진이 발생한 반면, IGM 캐리지는 430Hz에서 공진이 발생했다(그림3).

IGM 솔루션의 더 높은 공진은 부분적으로 더 견고한 캐리지와 베어링 설계에 기인한다. 캐리지 공진이 높으면 서보 대역폭이 더 커져서 동적 성능이 향상된다.

동작 환경:

사용자의 공정이나 기계 환경에서 오염물이 생성되거나 존재하기 때문에 축 밀봉은 필수이다. Stage-on-Granite 시스템은 축의 본질적인 폐쇄 특성 때문에 이런 상황에 특히 적합하다. 예를 들어, PRO 시리즈 리니어 스테이지는 내부적으로 스테이지 구성 메카니컬 요소를 오염으로부터 합리적인 범위까지 보호하는 하드커버와 측면 밀봉 처리가 되어 있다. 이 밖에도 PRO 시리즈는 상판 와이퍼 옵션을 구성해 스테이지가 움직일 때 상단 하드커버에서 파편을 제거할 수 있다.

반면에 IGM 모션 플랫폼은 베어링, 모터, 엔코더가 노출돼 본질적으로 오염에 노출된 구조다. 청정한 환경에서는 문제가 없지만 오염이 있을 때는 문제가 될 수 있다. 오염으로부터 보호하기 위해 특별한 벨로우즈 스타일의 커버를 IGM 축 설계에 통합해 해결할 수 있다. 그러나 올바르게 구현되지 않으면 벨로우즈가 캐리지에 외력을 전달함으로써 축의 이동에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

유지보수:

사용 편의성은 Stage-on-Granite와 IGM 시스템의 차별적인 요소다. 리니어 모터 축의 견고함은 잘 알려져 있지만 때때로 유지보수를 해야 한다. 특정한 유지보수 작업은 비교적 간단하며 해당 축을 제거하거나 분해하지 않고 수행할 수 있지만, 경우에 따라 철저한 유지보수가 필요하다.

모션 플랫폼이 석정반에 장착된 별개의 스테이지로 구성될 때 유지보수 작업은 석정반에서 스테이지를 분리하고, 필요한 수리 작업 후 재 장착하거나 새로운 스테이지로 교체하는 등 간단하게 진행된다.
IGM 시스템은 유지보수 시 더 어려울 수 있다. 리니어 모터의 단일 마그네트 트랙을 교체하는 것은 매우 간단하지만, 보다 복잡한 유지보수는 축을 구성하는 많은(또는 전부) 구성 요소들을 완전히 분해하는 경우도 있다. 이 경우 유지보수 후 석정반에 직접 장착할 때 많은 시간이 소요되며, 베이스 축들을 다시 정렬하는 것이 더 어렵다. 즉, 별개로 구성된 스테이지에서는 유지보수가 훨씬 더 간단하다.

표 1에서 Stage-on-Granite와 IGM 솔루션 사이의 근본적인 기술 차이를 확인할 수 있다.

경제성 비교:

모션 시스템의 절대 비용은 이동 길이, 축 정밀도, 부하 용량, 동특성 기능을 비롯한 여러 요인에 따라 달라진다. 하지만, 본 연구에서 수행된 유사한 IGM과 Stage-on-Granite 모션 시스템의 상대적 비교는 IGM이 Stage-on-Granite보다 비교적 저렴한 가격으로 중급의 고정도 모션을 제공할 수 있음을 시사한다.
경제성을 비교한 연구는 기계부품(제조 부품과 구매 부품 모두 포함), 석정반 조립품, 인건비와 간접 비용 등 세 가지 기본적인 비용 요소로 구성된다.

1) 기계 부품: IGM 솔루션은 기계 부품 측면에서 Stage-on-Granite 솔루션보다 주목할 만한 절감 효과를 제공한다. 이는 주로 IGM 솔루션에는 Y축과 X축에 복잡한 기계식 스테이지 베이스가 없고, Stage-on-Granite 솔루션에는 복잡성과 비용이 추가되기 때문이다. 비용 절감은 이동 캐리지와 같은 IGM 솔루션의 다른 가공 부품이 상대적으로 단순화된 것에 기인하며, IGM 시스템에 사용되도록 설계됐을 때 더 단순한 특징과 함께 완화된 허용오차를 가진다.

2) 석정반 조립: IGM와 Stage-on-Granite 시스템 모두에서 석정반 베이스, 기둥, 브리지 조립체는 형태 요소와 외관이 비슷한 것으로 보이지만 IGM 석정반 조립체가 더 비싸다. IGM 솔루션의 석정반이 Stage-on-Granite 솔루션에서 가공된 스테이지 베이스 공간을 차지하기 때문이며, 석정반이 일반적으로 임계영역에서 더 엄격한 허용오차를 가질 필요가 있다는 것을 뜻한다. 예를 들어, 돌출된 절단 혹은 나사산 강철 삽입과 같은 추가 기능도 포함된다. 그러나 이 사례 연구에서 석정반 구조의 추가적인 복잡성은 기계 부품의 단순화에 의해 상쇄되는 것 이상이다.

3) 인건비와 간접비용: IGM과 Stage-on-Granite 시스템을 조립하고 검사하는 데 있어 많은 부분 유사성이 있기 때문에 인건비와 간접비용에는 큰 차이가 없다. 모든 비용 요인을 결합하면, 본 연구에서 검토한 특정 메카니컬 베어링 IGM 솔루션은 Stage-on-Granite 솔루션보다 약 15% 저렴하다.

물론 경제성 분석 결과는 이동거리나 정밀도, 부하 용량 등 속성뿐 아니라 석정반 공급업체 선정과 같은 요인에 따라 달라진다. 또한, 석정반 구조물의 조달과 관련된 운송 혹은 물류비용을 고려하는 것이 현명하다.

그 밖에도 분석은 시스템 구현 후 발생하는 비용은 고려하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 모션 축을 수리하거나 교체해 모션 시스템에 서비스를 제공할 필요가 있다고 가정했을 때, Stage-on-Granite 시스템은 단순히 영향을 받는 축을 제거하고 수리 또는 교체하면 된다. 모듈형 스테이지 형태의 설계 때문에 초기 시스템 구축 비용이 더 높지만, 상대적으로 쉽고 빠르게 작업을 수행할 수 있다. IGM 시스템은 일반적으로 Stage-on-Granite 시스템보다 저렴한 비용으로 구축이 가능하지만, 구조가 통합되어 있기 때문에 분해와 수리가 어려울 수 있다.

결론

Stage-on-Granite와 IGM 시스템은 각각의 독특한 장점이 있다. 그러나 그것이 늘 특정 모션 응용분야에서 이상적인 선택은 아니다. 따라서 명확한 응용분야를 중심으로 협의적 접근하는 것이 중요하다. 또한, 까다로운 모션 제어와 자동화 응용분야에 대한 선택적인 솔루션으로 가치 있는 통찰을 제공하는 모션 및 자동화 시스템 공급업체와 제휴하는 것이 매우 유익하다.

자료 제공: 애니모션텍(www.animotion.co.kr)
번역: 애니모션텍㈜ 이산주 부장, 김진웅