직선 동력전달장치의 올바른 선택

차세대 위치 제어 장치에 따른 리니어 시스템 선정 방법

Parker

모션 솔루션을 직접 설계하거나, 공급 업체에서 부품을 선택하든 아니면 시스템 솔루션 제공업체와 협력할 때에도 직선 동력장치 드라이브 트레인을 이해하는 것은 성공적이고 안정적인 시스템을 갖추는데 핵심적인 부분이다.

차세대 동작구동 장치 관련 업계 종사자들에게 더 쉽고, 빠르며, 설비 맞춤형 장비를 선정할 수 있도록 핵심 성능을 살펴보고자 한다.

개요

5개의 가장 일반적인 직선동력장치 기술에 대한 개요를 살펴보고 각각의 장단점을 알아볼 것이다. 소비자가 더욱 쉽고, 빠르고 보다 정확한 선택을 하게 함으로써 시간과 노력을 덜어주고자 한다.

기능적 핵심 특성 PETS 법칙

먼저, 관심을 갖고 있는 잠재적 성능 특성 목록을 나열하는 것이 중요하다. 선정 절차를 위하여 모든 선택사항을 다음의 4가지 주요 범주로 분류하고자 한다.

•정밀성
•기대수명
•작업 처리량
•특별 고려사항

이러한 각 범주 내에는 잠재적으로 중요한 여러 성능 특성이 있다.

정밀성

1. 해상도: 가능한 최소 증분 단계

2. 반복성: 반복적으로 동일 지정 위치로 이동하는 능력. 이것은 지시 지점이 될 수 있다.

3. 정확도: 알려진 원점에서 정확히 지정된 거리를 이동하는 능력. 이것은 한 지점만 알려주면 정확도의 사양 내에서 모든 다른 지점에 위치하도록 해준다.

4. 속도 제어: 이동 중에 일정한 속도를 유지하는 능력. 스캔이나 다른 ‘즉각 반응’ 유형의 응용장치에 핵심 기능이다.

기대수명

1) 기계 효율(Mechanical Efficiency): 높은 효율은 긴 수명 및 낮은 에너지 소비를 의미한다.

2) 기계적 내마모성(Mechanical Wear Resistance): 동력 전달 과정에서 마찰에 의하여 기계적 마모가 발생한다. 마찰이 낮으면 기계적 마모 역시 줄어든다.

3) 오염 저항도(Contamination Resistance): 사용하는 환경이 청결하다면 오염을 크게 신경쓰지 않아도 될 것이다. 하지만 먼지나 분진 그리고 물 등이 존재하는 환경이라면 이야기가 달라진다. 오염 저항도는 장비 내 요소들의 마찰 및 구동요소 자체를 보호하기 위한 기능이라고 볼 수 있다.

4) 유지보수(Maintenance): 윤활유를 도포한다거나 조정 조치를 하는 등의 예방적 관리(Preventative Maintenance)를 기기에 얼마나 자주, 또 어느 정도로 수행하는지에 대한 측면이다.

작업 처리량

1) 속도 성능(Speed Capacity): 장치가 낼 수 있는 실제 직선 속도. 상대적 이동이 긴 장치일수록 중요한 요소이다.(최고 속도구간에서 이동 시간이 더 오래 걸리기 때문)

2) 최대 가속(Maximum Acceleration): 최고속도에 도달하기 위해 속도가 증가하는 비율. 상대적 이동이 짧은 장치일수록 중요한 요소이다.(가속과 감속구간에서 이동 시간이 더 소요되기 때문)

3) 주파수 응답(Frequency Response): 움직임 등의 변경 요청에 반응하는 속도를 결정하는 동력전달장치의 탄성률 혹은 강성. 이 특성은 정지 명령을 내린 후 작동을 중지하거나 속도를 변경하는 데 걸리는 시간을 결정한다.

4) 작동 주기(Duty Cycle): 동력전달장치가 휴식 없이(작업을 멈추지 않고) 작동할 수 있는 시간

특별 고려사항

1) 힘 밀도(Force Density): 기계적 장점은 힘 밀도의 핵심 요소이다.

2) 재료비(Material Cost): 성능에 맞추어 장비를 최적화하면 증가하는 경향이 있다.

3) 구현 비용(Implementation Cost): 재료비 이외의 비용으로, 일반적으로 통합 또는 유지보수에 드는 비용을 말한다.

4) 이동 길이(Travel Length): 일부 동력전달장치는 효과적으로 선형 변형을 제공하는 거리에 물리적 한계가 있다.

본문에서는 오늘날 직선 동작 장비에서 가장 일반적으로 사용되는 5가지 구동렬 기술에 초점을 맞출 것이다. 응용 장치에 고려되고 있는 다른 기술이나 형식적인 요소가 있다면 이에 맞게 기본 구성과 우선순위를 정해야 한다.

1. 볼 스크류(Ball Screw)

나사산 및 여기에 부합하는 볼 너트의 조합을 말한다. 너트와 나사 접점 표면 간에 재순환 볼 베어링을 장착한 것이 특징이다. 회전 베어링은 높은 효율 및 긴 사이클 타임을 보장한다. 볼스크류는 높은 정밀도, 반복성, 하중 밀도를 요구하는 응용 장치에 이상적인 솔루션이다.

볼형 나사는 적당한 속도를 낼 수 있지만, 나사 움직임에 따라 제한된다. 최대 수명을 보장하고 필요한 유지 보수를 최소화하기 위해 이동 라인에 나사를 적절히 정렬하는 일은 상대적으로 어려울 수 있다. 볼형 나사는 나사의 등급에 따라 매우 시끄러울 수도 있다.

2. 리드 스크류(Lead Screw)

리드 스크류는 나사산(Threaded)과 접점 표면을 이동하는 스레드 너트(Threaded)로 구성되어 있다.
백래시를 줄이기 위해 너트 조립 과정에서 예압을 적용하기도 한다(Preloaded).

리드 스크류는 사용률이 낮거나 상대적으로 미세조정을 덜 필요로 하는 장치에 적합하다. 리드 스크류는 일반적으로 볼 스크류와 비교했을 때 그 효율성이 약 절반에 불과하다. 따라서 동일한 스러스트 출력(Thrust 을 달성하기 위해 약 2배의 토크를 필요로 하게 된다.

한 가지 저효율성의 긍정적이 있다면 후진 구동에 대한 타고난 저항력이 있다는 것이다. 따라서 이런 특징이 없다면 동력의 손실이 발생하는 상황에서 유상하중을 정지시키는 브레이크를 따로 필요로 할 수직 장치에 이상적일 것이다. 어미 나사가 마찰 장치임을 감안할 때, 공명이 나타날 수 있다.

3. 타이밍 벨트(Timing Belt)

두 개의 톱니 도르래(Pulley)가 연결되어 있으며, 일반적으로 하나는 피동(Idler), 하나는 능동(Driven) 형태를 띤다. 주로 캐리지를 부착하여 사용한다. 직선운동에서 가장 간단하고 일반적인 동력전달장치다.

 타이밍 벨트는 긴 수명과 유지보수를 필요로 하지 않는, 그리고 100 마이크론 수준의 정밀성이면 되는 정도의 고속 장치에 강점이 있다.
 타이밍 벨트를 설계하는 데에 있어 가장 큰 난제는 벨트 장력 유지 시스템 및 스러스트 하중을 감당할 수 있는 풀리 베어링에 있다.

4. 랙 앤 피니언(Rack & Pinion)

직선 기어 랙과 원형의 톱니기어(피니언)가 한 쌍으로 이루어져 있다. 일반적으로 원형 기어가 움직이고 막대는 고정된 형태를 취한다.

이러한 동력 전달장치는 고속을 요구하거나 이동거리가 긴 애플리케이션에 이상적이다. 하지만 정밀성은 높지 않다. 랙 앤 피니언의 단점으로는 시스템 백래시를 제거하는 방법이 제한적이라는 점과, 다소 큰 소음을 들 수 있다.

5. 리니어 모터(Linear Motor)

직선 방향으로 하중을 이동하는 전자석 캐리지와 함께 일렬의 자석 인터페이스(기계적 기어링의 장단점 없이)로 논의된 것 중에 유일하게 직접 구동이 이뤄진다.
리니어 모터는 높은 속도, 가속성능 및 최소 반발의 정밀성과 오류 및 장착 시간을 제공한다. 이것은 종종 가장 고비용 기술로, 주로 필수적인 자석과 직선 피드백 장치 비용에서 기인한다.

기계적 장점이 없어서 하중 밀도가 어려울 수 있으며 이러한 점이 수직 장치에서 리니어 모터를 사용하는 것을 어렵게 만들기도 한다.

정밀성에 초점

고려 사항

•항상 분해능을 기준으로 사용자의 요구에 대한 이해로 시작한다. 적절한 최소 증분 단계로 시작하는 것이 정밀성과 관련한 다른 모든 측정의 기초가 된다.

•정밀성 다음으로 가장 중요한 요소는 반복성이다.

•재료와 구현 모두의 관점에서 볼 때 더 높은 정밀성은 실제 시스템 비용을 요구하는 부분이므로 정말 정밀성을 필요로 하는 지를 먼저 결정한다. 고도의 정밀성을 갖춘 시스템을 필요로 하지 않는 기술은 지시나 맵핑 시스템이다.

•속도 제어는 일반적으로 매우 높은 해상도나 고속을 ‘즉시’ 사용할 수 있는 장치의 스캐닝 장치에만 요구된다. 이것은 시스템 비용을 증가시키는 또 다른 특성이다.

기술

•리니어 모터 및 정밀 볼형 나사는 일반적으로 정확한 특성이 훨씬 우수하다. 운동 장치 대부분은 이러한 고정밀성을 필요로 하지 않으며 타이밍 벨트가 일반적으로 적용되는 것도 이런 이유에서 이다.

기대 수명에 초점

고려사항

•지저분하고 열악한 환경이 아니라면 기계 효율이 우선적인 고려 사항이 될 것이다. 구동렬 장치의 높은 효율은 바로 긴 수명, 저 에너지 소비를 의미한다. 적은 유지 보수를 필요로 하고 모터 및 또는 구동장치와 같은 부품의 크기를 최소화할 수 있도록 해 주기 때문이다.

•기계적 내마모력은 일반적으로 장치에 관련된 일종의 마찰력의 함수이다. 장치의 마찰이 낮을수록 마모도 적게 일어난다. 다만 리니어 모터는 예외이다. 이 구동렬은 무마찰 이지만 구성상 마모지점을 만드는 이동 케이블이 있어서 제대로 관리되지 않으면 상당한 수명 제한을 주게 된다.

•열악한 환경에서는 오염 저항성이 우선 과제가 되어야 한다.

•유지, 보수는 효율 및 내마모성과 밀접하게 연관이 되어 있다. 기계를 사용하는 동안 현장 유지, 보수를 하지 않아도 되는 것이 이상적일 것이다. 모든 기계 장치는 수명 제한이 있다. 설계시 마모와 휴식이 시스템의 장기적인 ‘정밀성’ 특성에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것이 굉장히 중요하다.

기술

•고효율과 제한된 유지 보수 요구 사항을 감안하면 타이밍 벨트가 이 범주에서는 주력 기술이 될 수 있다.

작업처리량에 초점

고려 사항

•필요한 이동 길이에 따라, 속도, 가속 감속이 주요 기준이 될 것이다. 최고 속도에서 순환 시간이 더 많이 소요되는 경우, 이동이 길다면 속도가 가장 중요하다. 가속과 감속에 시간이 많이 소요되는 경우 이동이 짧다면 가속 감속이 가장 중요하다.

•응용 장치의 위치 요구 사항이 빡빡하고(고 수준의 정밀도) 시간에 민감한 경우, 주파수 응답이 핵심 속성이 될 것이다. 대부분의 픽 앤 플레이스 장치는 높은 수준의 주파수 응답을 필요로 하지 않는다. 이것이 요구될 경우 비용이 많이 드는 속성이 될 수 있다.

•충격 계수는 통상적으로 선택된 설계가 장치에서 작동하는지 확인하고 검증되어야 하는 특성이다.

기술

•직선 모터는 높은 속도와 가속을 낼 수 있고, 기계적 작동이 없어 높은 주파수 응답을 보인다는 점에서 처리량 관점에서 최고이다.

특별 고려사항에 초점

고려 사항

•항상 최소 비용으로 특성의 적절한 조합을 얻기 위해 노력하고 있으므로 재료 및 구현 비용은 핵심 설계 고려사항이다.

•하중 밀도는 포장의 문제다. 기계 설계가 계속 소형화되고 있으므로, 이 특성의 중요성은 점점 높아지고 있다. 특히 말단 작용체나 축에 장착하는 장비를 지정할 때 고려해야 할 중요한 특성이 된다.

요약

처음에 언급했던 것처럼 최고의 구동렬을 선택하기 위해서는 균형을 잡는 것이 중요하다. 하나의 핵심 성능 특성을 최적화할 경우, 다른 성능 특성들에 대해서는 포기할 부분이 생길 가능성이 크다.

성능적으로 기계의 요구사항이 무엇인지 아는 것이 중요하므로, 먼저 정밀성, 기대수명, 작업처리량 그리고 기타 고려사항에 대한 요구사항이 무엇인지 이해하고 시작하는 것이 좋다. 각 범주에서 속성 몇 개만을 선택하여 제시한 지침을 활용해 보도록 한다.

자료 제공: Parker(www.parker.com/ko)