리니어모션 플랫폼의 효율적 솔루션 선택 방안

Aerotech

애플리케이션에 가장 적합한 석정반 기반의 리니어 모션 플랫폼은 다양한 요인과 변수에 따라 달라진다. 모션 플랫폼 측면에서, 애플리케이션에 따라 요구사항이 다르다는 것을 인식하는 것이 중요하며 효과적인 솔루션을 찾기 위해 이를 이해하고 우선순위를 정해야 한다.

일반적 솔루션 중 하나는 석정반 구조에 각각의 스테이지를 개별로 장착하는 것이다. 또 다른 일반적인 솔루션은 모션축을 구성하는 컴포넌트를 석정반 자체에 직접 통합하는 것이다. 석정반에 스테이지 설치(Stage-on-Granite)또는 석정반과 통합된 스테이지 모션 시스템(IGM, Integrated-Granite Motion)을 선택하는 것은 선택 프로세스에서 내려야 할 초기 결정 요소 중 하나다. 두 솔루션 유형 사이에는 분명한 차이가 있으며, 각 솔루션에는 주의 깊게 이해하고 고려해야하는 고유한 장점과 주의 사항이 있다.

의사 결정 프로세스에 대한 더 나은 통찰력을 제공하기 위해, 두 가지 기본 리니어 모션 플랫폼 설계(IGM 시스템과 기존 Stage-on-Granite 시스템) 간의 차이점을 메카니컬 베어링 경우를 사례로 들어 기술과 비용을 평가한다. IGM 시스템과 기존 Stage-on-Granite 시스템 간의 유사점과 차이점을 조사하기 위해 두 가지 테스트 케이스 설계를 고려한다.

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

두 경우 모두 각 시스템은 3개의 모션 축으로 구성된다. Y 축은 1000mm의 이동 거리를 제공하며 석정반 구조물의 바닥에 있다. 400mm 트래블로 어셈블리 브리지에 위치한 X 축은 100mm 트래블로 수직 Z 축을 전달한다(그림 1 참조).
Stage-on-Granite 설계의 경우, 이 ‘Y/X-Z 분할 브리지’ 배열을 사용하는 많은 모션 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 더 큰 하중 전달 용량 때문에 Y 축용 PRO560LM 와이드 바디 스테이지를 선택했다.

X 축의 경우 많은 응용 분야에서 일반적으로 브리지 축으로 사용되는 PRO280LM을 선택했다. PRO280LM은 풋 프린트와 고객 페이로드와 함께 Z 축을 운반하는 능력 사이에 실질적인 균형을 제공한다.
IGM 설계를 위해 우리는 위 축의 기본 설계 개념과 레이아웃을 면밀히 복제했다. 주요 차이점은 IGM 축이 석정반 구조에 직접 구축되어 Stage-on-Granite에서 존재하는 가공한 베이스 부품이 없다는 것이다. 두 설계 사례에서 공통적으로 Z 축은 PRO190SL 볼 스크류 구동 스테이지를 선택했다. 이 축은 충분한 탑재 하중 용량과 상대적으로 콤팩트간 크기로 인해 브릿지의 수직 방향으로 자주 사용하는 축이다. 그림 2는 stage-on-granite 과 IGM 시스템을 보여준다.

기술 비교
IGM 시스템은 전통적인 Stage-on-Granite 설계에서 볼 수 있는 것과 유사한 다양한 기술과 컴포넌트를 사용하여 설계되었다. 결과적으로 IGM 시스템과 Stage-on-Granite 시스템 간에는 공통적 인 기술적 특성이 많이 있다.
반대로, 모션 축을 석정반에 직접 통합하면 IGM 시스템과 Stage-on-Granite 시스템을 구별하는 몇 가지 특징이 있다.

폼팩터: 아마도 가장 명백한 유사성은 스테이지의 베이스인 석정반에서 시작된다. Stage-on-Granite와 IGM 디자인 사이에는 기능과 공차에 차이가 있지만 베이스 및 브리지의 전체 치수는 동일하다. 이는 주로 이동거리가 두 시스템 간에 동일하기 때문이다.

구조: IGM 설계에 가공된 컴포넌트인 축베이스가 없기 때문에 Stage-on-Granite 솔루션에 비해 특정 이점이 있다. 특히, IGM의 구조 루프에서 컴포넌트를 줄이면 전체 축 강성이 증가한다. 또한 석정반 바닥과 캐리지 상단 표면 사이의 거리가 더 짧아진다. 이 특정 사례 연구에서 IGM 설계는 작동 표면 높이가 33% 더 낮다(120mm에 비해 80mm). 이 작은 작동 높이는 보다 컴팩트한 설계를 가능하게 할 뿐만 아니라 모터 및 엔코더에서 작업 점까지의 기계 오프셋과 Abbe 오류를 줄여 작업 점 위치 지정 성능을 향상시킨다.

축 구성: 설계를 더 자세히 살펴보면 스테이지 석정반 및 IGM 솔루션은 리니어 모터 및 위치 엔코더와 같은 일부 핵심 컴포넌트를 공유한다. 일반적인 forcer 및 자석 트랙 선택은 동등한 힘 출력 기능을 제공한다. 마찬가지로 두 설계에서 동일한 인코더를 사용하면 위치 피드백에 대해 동일하게 미세한 분해능을 제공한다.
결과적으로 리니어 정확도 및 반복성 성능은 stage-on-granite 솔루션과 IGM 솔루션간에 크게 다르지 않다. 베어링 분리 및 공차를 포함한 유사한 컴포넌트 레이아웃은 기하학적 오류 모션(예: 수평 및 수직 직진도, 피치, 구름 및 요) 측면에서 유사한 성능을 제공한다. 두 디자인의 지지 요소는 다음과 같다.

베어링: 이 특정 설계에서 가장 눈에 띄는 차이점 중 하나는 리니어 가이드 베어링을 선택하는 것이다. 재순환 볼 베어링이 스테이지 석정반 및 IGM 시스템 모두에 사용되지만 IGM 시스템을 사용하면 축 작업 높이를 높이지 않고도 더 견고한 베어링을 설계에 통합할 수 있다. IGM 설계는 별도의 가공 부품베이스와 달리 석정반을 베이스로 사용하기 때문에 그렇지 않은 경우 수직 공간의 일부를 회수할 수 있다. 기본적으로 이 공간을 더 큰 베어링으로 채우면서 석정반 위의 전체 캐리지 높이를 줄인다.

강성: IGM 설계에서 더 큰 베어링을 사용하면 각도 강성에 큰 영향을 미친다. 바디 하부 축(Y)의 경우 IGM 솔루션은 해당 stage-on-granite 설계보다 40% 이상 더 큰 강성을 제공한다. 마찬가지로 IGM의 브리지는 4배 증가했다. 더 높은 강성은 향상된 동적 성능에 유리하며 이는 더 높은 기계 처리량을 가능하게 하는 핵심이다.

부하 용량: IGM 솔루션의 더 큰 베어링은 stage-on-granite 솔루션보다 훨씬 더 높은 탑재 하중을 허용한다. Stage-on-granite 솔루션의 PRO560LM 기본 축의 하중 용량은 150kg이지만 해당 IGM 솔루션은 300kg의 페이로드를 수용할 수 있다. 마찬가지로 stage-on-granite의 PRO280LM 브리지 축은 150kg을 지원하는 반면 IGM 솔루션의 브리지 축은 최대 200kg을 운반할 수 있다.

이동 질량: 메카니컬 베어링 IGM 축의 더 큰 베어링은 더 나은 각도 성능 속성과 더 큰 하중 운반 능력을 제공하지만 더 크고 무거운 트럭과 함께 제공된다. 또한 IGM 캐리지는 부품 강성을 높이고 제조를 단순화하기 위해 스테이지 석정반 축(IBM 축에는 필요하지 않음)에 필요한 특정 가공 기능이 제거되도록 설계되었다.

이러한 요인은 IGM 축이 해당 stage-on-granite 축보다 이동 질량이 더 크다는 것을 의미한다. 명백한 단점은 모터 힘 출력이 변하지 않는다고 가정할 때 IGM의 최대 가속도가 낮다는 것이다. 그러나 특정 상황에서, 더 큰 관성이 교란에 대해 더 큰 저항을 제공할 수 있다는 관점에서 더 큰 이동 질량이 유리할 수 있으며, 이는 위치 안정성을 증가시킬 수 있다.

구조 역학: IGM 시스템의 더 높은 베어링 강성과 더 견고한 캐리지는 FEA(Finite-Element Analysis) 소프트웨어 패키지를 사용하여 모달 해석을 수행하면 추가 이점을 제공한다. 이 연구에서는 서보 대역폭에 미치는 영향으로 인해 움직이는 캐리지의 첫 번째 공진을 조사했다. PRO560LM 캐리지는 400Hz에서 공진이 발생하는 반면 해당   IGM 캐리지는 430Hz에서 동일한 모드를 제공한다.

그림 3은 이 결과를 보여준다.
IGM 솔루션의 더 높은 공진은 전통적인 stage-on-granite와 비교할 때 부분적으로 더 견고한 캐리지 및 베어링 설계에 기인할 수 있다. 더 높은 캐리지 공진은 더 큰 서보 대역폭을 가질 수 있게 하여 동적 성능을 향상시킨다.

작동 환경: 오염 물질이 존재하는 경우 Axis 밀폐는 거의 필수 요소이다. Stage-on-granite 솔루션은 축의 본질적으로 폐쇄된 특성 때문에 이러한 상황에서 특히 적합하다. 예를 들어, PRO 시리즈 리니어 스테이지에는 내부 스테이지 컴포넌트를 적절한 정도로 오염으로부터 보호하는 하드 커버와 측면 씰이 장착되어 있다. 이러한 스테이지는 또한 스테이지가 횡단할 때 상단 하드 커버에서 이물질을 쓸어내도록 테이블 상단 와이퍼 옵션으로 구성할 수 있다.

반면에 IGM 모션 플랫폼은 본질적으로 베어링, 모터 및 인코더가 노출된 상태로 개방되어 있다. 깨끗한 환경에서는 문제가 되지 않지만 오염이 있는 경우 문제가 될 수 있다. 이 문제는 특수 벨로우즈 스타일 웨이 커버를 IGM 축 설계에 통합하여 이물질로부터 보호를 제공함으로써 해결할 수 있다. 그러나 올바르게 구현되지 않으면 벨로우즈가 전체 이동 범위를 이동할 때 캐리지에 외부 힘을 가하여 축의 동작에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

유지 관리: 서비스는 스테이지 석정반과 IGM 모션 플랫폼의 차별화 요소이다. 리니어 모터 축은 견고성으로 잘 알려져 있지만 때때로 유지 보수를 수행해야하다. 특정 유지 관리 작업은 비교적 간단하며 해당 축을 제거하거나 분해하지 않고도 수행할 수 있지만 때로는 보다 철저한 분해가 필요하다. 반면 모션 플랫폼이 석정반에 장착된 개별 스테이지로 구성된 경우 서비스는 상당히 간단한 작업이다. 먼저 석정반에서 스테이지를 분리한 다음 필요한 유지 보수 작업을 수행하고 다시 장착하면 된다.

IGM 솔루션은 유지 보수를 수행할 때 때때로 더 어려울 수 있다. 리니어 모터의 단일 자석 트랙을 교체하는 것은 매우 간단하지만 더 복잡한 유지 관리 및 수리에는 축을 구성하는 많은 또는 모든 컴포넌트를 완전히 분해해야 하는 경우가 많으므로 컴포넌트를 석정반에 직접 장착할 때 더 많은 시간이 소요된다. 또한 유지 관리를 수행한 후 석정반 기반 축을 서로 다시 정렬하는 것이 더 어렵다. 메카니컬 베어링에 대한 stage-on-granite와 IGM 솔루션의 근본적인 기술적 차이점은 표 1에 요약되어 있다.

경제성 비교
모션 시스템의 비용은 이동 길이, 축 정밀도, 부하용량 및 동적 기능 등 여러 요인에 따라 달라지지만 이 연구에서 수행된 유사한 IGM 및 stage-on-granite 모션 시스템의 비교는 IGM 솔루션이 Stage-on-Granite 제품보다 낮은 비용으로 모션을 제공할 수 있다.
경제성에 대한 연구는 기계 부품(제조된 부품과 구매한 부품 모두 포함), 석정반 조립품, 노동 및 간접비의 세 가지 비용 요소로 구성된다.

기계 부품: IGM 솔루션은 기계 부품 측면에서 스테이지 석정반 솔루션에 비해 현저한 절감 효과를 제공한다. 이는 주로 IGM이 Y 축과 X 축에 복잡하게 가공된 스테이지베이스가 없기 때문에 스테이지 석정반 솔루션에 복잡성과 비용을 추가한다. 또한 비용 절감은 IGM 시스템에서 사용하도록 설계되었을 때 다른 가공 부품의 상대적 단순화에 기인할 수 있다.

석정반 어셈블리: IGM 및 stage-on-granite의 석정반 베이스와 브리지 어셈블리가 유사한 폼 팩터와 외관을 가진 것처럼 보이지만 IGM 석정반 어셈블리는 약간 더 비싸다. 이는 IGM 솔루션의 석정반이 stage-on-granite 솔루션에서 가공된 스테이지 베이스를 대신하기 때문이다. 이 경우 석정반은 임계 영역에서 더 엄격한 공차를 가져야하며 압출 절단 및 같은 추가 기능도 필요하다.

인건비 및 간접비: IGM 및 stage-on-granite 시스템은 인건비 및 간접비에 큰 차이가 없다.

모든 비용 요소가 결합되면 IGM 솔루션은 stage-on-granite 솔루션보다 약 15% 저렴하다. 물론, 경제성 분석의 결과는 이동 길이, 정밀도 및 적재 용량과 같은 속성뿐만 아니라 석정반 공급 업체 선택과 같은 요소에 따라 달라진다. 또한 석정반 구조물 조달과 관련된 운송 및 물류 비용을 고려하는 것이 현명하다. 최종 시스템 어셈블리 위치에 더 가까운 적격 석정반 공급 업체를 선택하면 비용을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다.

또한 이 분석은 구현 후 비용을 고려하지 않았다. 예를 들어, 모션 축을 수리하거나 교체하여 모션 시스템을 서비스 받아야 한다고 가정할 때 Stage-on granite 시스템은 영향을 받는 축을 간단히 제거하고 수리(교체)하여 서비스할 수 있다. 보다 모듈화된 스테이지 스타일 설계로 인해 초기 시스템 비용이 높음에도 불구하고 비교적 쉽고 빠르게 수행할 수 있다. IGM 시스템은 일반적으로 stage-on-granite 제품보다 저렴한 비용으로 얻을 수 있지만 통합된 구조로 인해 분해 및 서비스가 어려울 수 있다.

결론
두 유형의 모션 플랫폼 설계(stage-on-granite 및 IGM)는 각각 뚜렷한 이점을 제공한다. 이 두 종류의 솔루션의 차이점 뿐만 아니라 해결해야하는 문제의 근본적인 측면도 이해하는 것이 프로젝트의 기술과 비용 목표, 모두를 해결하는 성공의 기본 열쇠가 될 것이다.

자료 제공: Aerotech(www.aerotech.com)