모션 시스템의 효율적 구현을 위한 제언

haydonkerk

모션 설계 솔루션에는 매우 많은 옵션이 있다. 이러한 다양한 기술의 강점과 약점을 이해하지 못하면 성능과 비용 등 프로젝트 요구 사항에 알맞은 옵션을 찾는 게 두려울 수 있다. 이러한 지식을 보유하면 엔지니어가 가격과 성능 면에서 우위를 차지할 수 있을 뿐만 아니라 많은 비용이 소요되는 재설계의 필요성을 없애고 출시 일정을 단축할 수 있다.

가능하면 공급 업체와 함께 협력하는 것이 지속적인 시스템 향상을 위한 최상의 옵션 중 하나가 될 수 있다. 다음은 부품 구성 요소에서 컨트롤에 이르기까지 기본 옵션과 모션 축 또는 시스템 장치를 선택할 때 고려해야할 사항에 대해 이야기 한다.

시스템 정의

모든 설계의 첫 번째 단계는 요구 사항을 정의하는 것이다. 성공적인 설계를 위해 필요한 최소 성능 수준을 평가하는 데는 하중이 중요하다. 하중의 크기, 하중이 차지하는 공간 범위 및 이동해야 하는 공간 범위를 정의해야 한다.
  

부하가 가변적이면 이 단계에서 가장 큰 부하 크기를 사용해야 한다. 그렇게 해야 하중 가이드 또는 지원 메커니즘을 정의하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 큰 모멘트 하중은 볼 레일과 같은 롤링 요소 메커니즘을 사용해야 할 수 있지만, 더 가벼운 모멘트 하중은 가이드로드 및 폴리머 부싱과 같은 슬라이딩 메커니즘을 허용할 수 있다.

부하에 대한 정밀도 요구 사항 분해능, 반복성 및 정확성으로 구성된 사양은 중요한 구성 요소이다. 분해능 요구 사항은 부하에서 달성 가능한 최소 이동으로 정의된다. 모션의 반복성은 동일한 위치로 이동하는 중복 이동 간의 변동을 측정한 것이고 정확도는 명령된 위치와 시스템이 달성한 실제 위치 간의 오류를 측정한 것이다.

반복성과 정확성은 일반적으로 그림 1과 같이 목표의 표시로 비교된다. 시스템 성능을 정의하는 것 외에도 소요비용 제한으로 인해 일부 결정을 내릴 수 있으므로 초기 개발에 단계에 목표 가격을 염두에 두는 것도 좋다. 어떤 기술을 사용해야 하며 궁극적으로 성과 목표를 재검토하는 촉매제가 될 수 있다.

축의 정하중 상태를 평가하는 것은 그림 3에 설명된 자유 물체 다이어그램으로 시작한다. 정적 상태의 경우 점 O(그림 3에 빨간색 점)에 대한 모멘트의 합은 다음과 같이 0 이 된다. 시스템의 힘 정적 조건이 정의된 상태에서 방정식 1과 2는 자유 물체 다이어그램에서 파생된다. 알려지지 않은 힘은 F1과 F2이다. 방정식 1과 2에 대해 풀면 힘 F에 대한 힘 F1과 F2를 정의하는 방정식 3과 4가 된다.

F1과 F2를 정의하면 이 축의 정적 하중에 대한 마찰력 기여는 가이드 메커니즘의 마찰 계수와 가이드 메커니즘에 대한 수직힘의 곱에 의해 결정될 수 있다(이는 특정 가이드 형상에 의해 결정됨).

이 예제는 매달림 하중은 정적하중에서의 마찰력 보다 3배가 증가됨을 보여주며, 설계에서 모멘트 하중 평가의 중요성을 보여준다. 정적하중 이외에도 모션 프로파일의 가속에서 발생하는 동적힘이 있으며, 이는 모멘트 하중과 시스템의 항력 증가에 기여한다.
  

매달림 하중이 반드시 항력의 큰 증가를 의미하지는 않는다. 지지 기술은 시스템의 실제 항력을 정의하는 데 도움이 된다. 일반적으로 플레인 베어링 기술은 0.1의 영역에서 마찰 계수(COF, Coefficient of Friction)를 가지며, 롤링 요소 옵션은 일반적으로 0.001의 COF를 가지며, 에어 베어링과 같은 유체 옵션의 COF는 0.00001만큼 낮다.

저항이 적을 뿐만 아니라 마찰이 적은 가이드는 시스템의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 플레인 베어링, 롤링 요소 및 유체 기반지지 메커니즘 간의 일부 성능을 비교한 결과가 표 1에 나와 있다.

동력 전달

동력 전달에는 몇 가지 옵션이 있다. 일반적인 회전 옵션에는 감속기, 기어 세트, 벨트 및 풀리 구성이 포함된다. 로터리 옵션은 벨트 또는 체인 드라이브, 랙 및 피니언, 리드 또는 볼 스크류와 같은 리니어 옵션과 함께 사용할 수 있다. 로터리와 짝을 이루지 않는 리니어 동력 전달 옵션에는 리니어 모터 및 유체 피스톤(공압 및 유압)이 포함된다.
  

모션 프로파일, 정밀도 요구 사항 및 비용은 시스템에 적합한 전력 전송을 결정한다. 이러한 기술을 사용할 수 있는 애플리케이션에는 여러가지가 중복되며, 각 기술의 발전으로 인해 성능이 계속 증가함에 따라 중복성이 계속 증가하고 있다.

고정된 위치로 이동하는 포인트 투 포인트 모션이 필요한 애플리케이션을 위해 충분한 공간 및 공압 전원을 사용할 수 있는 공압 실린더가 저비용 솔루션이 될 수 있다(그림 4 참조). 동일한 응용 분야에 사용 가능한 유체 동력원이 없어서 하나를 추가해도 공압 실린더는 여전히 좋은 옵션 일 수 있다. 그러나 전체 비용으로 인해 덜 바람직한 솔루션이 될 수 있다.

가변적이며 높은 정밀도가 필요하지 않은 여러 위치 지점이 있는 애플리케이션의 경우 벨트 드라이브가 좋은 옵션일 수 있다(그림 5 참조). 강점은 높은 가속도, 고속, 저소음이며 비용 효율적이다.

랙 및 피니언 리니어 드라이브는 고속 및 긴 스트로크 길이를 요구하는 응용 분야에서 잘 수행되는 옵션이다(그림 6 참조). 예압이 있는 랙 및 피니언 드라이브의 정밀도는 벨트 드라이브보다 향상되었지만 벨트 및 스크류 드라이브 옵션보다 많은 비용이 소요된다. 또한 모터에서 전원이 제거될 때 캐리지가 제동없이 자유롭게 낙하할 수 있기 때문에 수직 모션에는 좋은 옵션이 아니다. 랙 및 피니언 드라이브에 대한 또 다른 고려 사항은 모터가 캐리지와 함께 이동하므로 케이블 관리가 필요하다는 것이다.

리드 스크류(그림 7)는 높은 분해능을 필요로 하는 응용 분야에서 효과적이며, 결합 방지 백레시 너트를 사용하면 반복성이 매우 우수한다. 전조 스크류의 경우 스크류 회전당 리니어 오류는 제어 기술로 보정할 수 있으므로 높은 정확도가 필요한 응용 분야에서 적합하다.

공진이나 슬립 스틱 마찰에 의해 진동이 유도되지 않는 한 저소음이다. 리드 스크류는 후방 주행 효율이 0 미만인 경우 브레이크 없이 수직 하중을 유지할 수 있는 고유한 기능도 있다. 비용 효율적이지만 임계 스크류 속도로 인해 스트로크가 제한되고 미세 리드의 효율이 낮다(빠른 리드는 85% 이상의 효율을 가질 수 있음).

볼 스크류(그림 8)는 리드 스크류와 동일한 강도를 갖지만 높은 효율성, 정확도를 제공하며 높은 추력 기능을 제공한다. 높은 속도를 달성할 수도 있지만 스크류 속도에 의해 제한된다. 효율성이 높기 때문에 수직 애플리케이션에서 전력이 손실될 때 자유 낙하를 방지하기 위해 브레이크가 필요하며 리드 스크류 어셈블리보다 가청 소음이 높고 비용이 높다.

리니어 모터(그림 9 참조)는 높은 가속, 빠른 응답 시간, 고속 및 제로 백래시를 포함하는 많은 이점을 가지고 있다. 단점은 케이블 관리의 필요성과 높은 시스템 비용을 포함한다. 시스템 복잡성과 비용이 높기 때문에 최고 수준의 정밀도와 가장 공격적인 모션 프로필이 필요한 애플리케이션에 사용된다.

축 동력

모터 질량 및 케이블 링은 초기 계산에서 추정된다. 모터 기술의 옵션에는 스테퍼, 브러시 DC, 브러시리스 DC, AC 및 리니어 모터가 포함된다. AC 모터는 컨베이어와 같은 거친 속도 제어 애플리케이션에 적합하다.

모든 애플리케이션에 ‘최고의 모터’라는 것은 없지만 특정 애플리케이션에 가장 적합한 모터를 선택할 수 있다. 대부분의 증분 모션 애플리케이션에서 스테퍼 모터, 브러시 DC 모터 또는 브러시리스 DC 모터를 선택할 수 있다.

가장 복잡한 리니어 모션 시스템은 리니어 모터를 사용할 수 있으며 이러한 유형의 시스템에서 최대 정확도, 반복성 및 포지셔닝 해상도를 얻을 수 있지만 회전 모터와 비교할 때 비용과 복잡성이 가장 높다.

회전 모터를 사용하는 아키텍처는 훨씬 저렴하며 대부분의 리니어 모션 애플리케이션을 충족한다. 스테퍼, 브러시 및 브러시리스 서보 모터는 모두 DC 모터로 간주되지만 엔지니어가 특정 응용 분야에서 한 유형을 다른 유형보다 선호하도록 만드는 미묘한 차이가 있다.

이 선택은 시스템의 설계 매개 변수에 크게 의존한다는 점을 강조한다. 모든 DC 모터 기술은 출력 토크를 생성하는 방식에서 다른 모든 전기 모터와 작동이 동일하다. 그러나 DC 스테퍼, 브러시 서보 및 브러시리스 서보 모터 기술은 전원을 공급하기 위해 DC 전원을 사용한다. 리니어 모션 애플리케이션의 경우 고정 DC 소스가 모터 권선에 직접 적용될 수 있다는 의미는 아니다.

권선 전류 및 전압을 제어하려면 전자 장치가 필요하다. 스테퍼, 브러시 및 브러시리스 로터리 모터의 강점과 약점은 표 2에 요약되어 있다.

폐 루프

폐 루프 시스템은 모터에서 드라이브로 다시 피드백할 필요가 있다. 이에 대한 완벽한 예는 스테퍼 모터 기반의 시스템이다. 스테퍼 모터의 크기가 부하에 적합하고 적절한 모션 프로파일이 구현되면 모터가 정지하지 않다. 모터의 회전은 단계라는 섹션으로 나뉘어 포지셔닝을 위한 어느 정도의 해상도를 허용한다.

드라이브는 모터를 정격 전류로 회전시키기 위한 펄스를 제공하며 적절한 정류를 위해 위치를 확인할 필요가 있다. 이러한 유형의 시스템에 대한 단점은 드라이브가 필요하지 않은 경우에도 모터에 최대 전력을 제공하므로 폐쇄 루프 시스템보다 효율성이 떨어진다.

부하에 예상치 못한 변화가 있을 경우 드라이브는 상태를 인식하지 못하고 변화를 수용할 수 없어 위치와 속도에 오류가 발생한다. 대부분의 제조업체는 사용자가 움직일 때마다 전류를 설정할 수 있는 드라이브를 제공하지만 이 전류는 동작 구성에 따라 고정된 값이며 부하 조건에 따라 변경되지 않는다.

폐 루프 시스템은 효율적이고 스톨 장애가 덜 발생하는 것으로 간주된다. 이는 명령된 모션에서 측정된 오류에 의해 구동되며 부하에 의해 확인된 모든 변경 사항을 수정할 수 있다. 오류는 인코더 또는 리졸버와 같은 피드백 장치의 데이터로 측정된다. 일반적으로 폐 루프는 위치, 속도 또는 전류에서 형성된다. 이는 드라이브가 매개 변수의 변경을 보상할 수 있음을 의미한다.

브러시리스 모터 기반 시스템은 폐 루프의 좋은 예이다. 브러시리스 모터는 부하를 최대 속도로 이동하는 데 필요한 만큼만 전류를 소비한다. 부하가 변경되어 속도, 전류 또는 위치에 영향을 미치는 경우 드라이브는 명령된 모션 프로필에 따라 부하를 이동하기 위해 변경 사항을 수정한다.

이렇게 하면 모터가 필요한 경우에만 더 많은 전류를 소비하고 드라이브가 부하 변경을 수정하므로 고장의 가능성을 제거해 시스템의 효율성이 향상된다. 오류에 대한 드라이브 응답의 특성은 각 튜닝 게인이 정의된 방식을 기반으로 한다. 폐쇄 루프 시스템은 피드백이 여러 모터 간의 동작을 조정할 수 있는 복잡한 다축 시스템에도 사용할 수 있다.

서보 토크 제어

토크에 대한 폐루프 제어 시스템의 경우 일반적으로 전자 드라이브는 내부 전류 센서를 사용하여 모터 위상 전류와 모터 토크를 정확하게 조절한다. 모터 전류 서보 제어 루프 게인은 일반적으로 모터의 고유한 정격 및 특성에 맞게 조정되는 전자 드라이브에 미리 설정되어 있다. 이 제어 방법을 사용하는 응용 분야에는 와인더 또는 피더와 같은 응용분야에 일정한 토크가 대부분 필요하다.

서보 속도 및 위치 위치 제어

속도 또는 위치에 대한 루프를 닫는 서보 시스템 드라이브는 회전 속도 또는 위치 센서와 서보 피드백 제어 루프를 사용하여 모터 속도 또는 위치를 정밀하게 조절한다. 응용 분야의 특정 요구 사항에 따라 선택이 달라지는 회전 위치 및 속도 센서를 사용할 수 있다.

모터 유형에 따라 모터를 작동하기 위해 전자 드라이브에 특정 위치 센서 유형이 필요할 수 있다. ‘센서리스’ 라고 하는 전자 드라이브는 내부 센서를 사용하여 모터 위상 전류, 전압 및 기타 모터 특성을 측정하여 회전 속도와 위치를 얻는다.
  

속도 제어를 사용하는 응용 분야에는 부드럽고 정확한 속도가 필요하다. 위치 제어 기반 응용 프로그램은 가장 일반적일 수 있으며 여러 축에 걸친 조정된 모션, 전자식 캠 및 기어링, 공격적인 모션 프로필이 있는 지점 간 이동을 포함한다.

정밀한 속도 조절은 최적의 안정된 동적 응답을 얻기 위해 서보 제어 루프 게인을 조정해야 한다. 최적의 서보 제어 루프 게인 설정은 모터가 구동하는 기계 시스템의 마찰 및 관성에 따라 다르다. 많은 전자 드라이브는 최적의 서보 제어 루프 게인을 설정하는 데 도움이 되는 자동 튜닝 기능을 제공한다.

결론

모션 애플리케이션의 대부분의 경우 성능 및 비용에 대한 시스템 정의의 요구를 충족하는 솔루션이 두 개 이상 있다. 각 기술에는 구성 요소 설계의 세부 사항이 성능에 영향을 미치므로 제품 제조업체에서 지원할 수 있는 고급 속성이 있다.

선택할 수 있는 옵션이 많기 때문에 시스템 업체 또는 엔지니어링 지원을 제공받는것을 고려해야 한다. 이는 모션 제어 이외의 엔지니어링 리소스를 보완할 것이다. 예를 들어, 생명 과학 분야에 초점을 맞추는 회사는 모션이 필요하지만 이것이 반드시 핵심 역량은 아니다. 이러한 추가 리소스를 통해 엔지니어링 및 설계 팀은 효율성과 제품 성능을 향상시킬 수 있다.

자료 제공: haydonkerk(www.haydonkerkpittman.com)