부품 생산라인 에 리니어 모션을 적용 하여 정확도와 반복성을 향상 시키는 방법

Nippon Pulse

머신 축의 모션 정확성과 정밀도는 부품 생산 과정에서 공차와 표면 마감을 달성하는 데 가장 중요한 요소이다. 부품 치수의 지정, 표면 마감 및 밀링 커터 연마는 연삭 작업을 통해서만 가능하다. 연삭은 상당한 진동, 열 발생 및 연마 입자 생성을 수반하는 까다로운 가공 작업으로서 움직임의 위치 및 정확한 속도를 유지해야한다. 축 이동 메커니즘을 선택하게 되면 기계 소유 비용에 따른 부품 가공 정밀도 수준이 결정된다.

기계 설계의 기본 사항은 특정 위치로 이동할 수 있고 공작물에 상대적인 위치를 파악해야 한다. 공작물 또는 툴링의 이동에서 정확성을 달성하기 위해 기계 구성 요소, 이동 명령 및 제어(제어 보드, 서보 루프), 이동 메커니즘(리니어 모터, 로터리 모터, 볼 스크류)의 세 가지 영역이 기계 설계를 구성한다. 본문에서는 이동의 관점에서, 특히 리니어 모터에 의해 생성되는 힘에 중점을 둔다.

뉴턴의 첫 번째 법칙의 의하면 모션을 바꾸려면 물체에 힘 F = ma가 작용해야 한다. 이것으로 구동 대상 물체의 질량과 저항력을 기반으로 특정한 크기의 힘을 적용하며,요구에 맞는 성형, 연마를 하는데 필요한 경로를 지정할 수 있다.

적용된 힘 벡터는 정확성과 정밀도를 가져야 하며 힘을 적용할 때 정확히 원하는 만큼 전달되어야 한다. 리니어 모터 관점에서 모션은 전류를 전달하는 코일과 영구 자석에 의해 생성된 전자기장 간의 상호 작용이다. 모션을 만들 때 우리는 이를 위해 힘을 생성해야 한다는 것을 알고 있다.

전기 모터의 경우 자기장을 생성하기 위해 전류를 공급해야 한다. 전기 자석과 영구 자석의 반대 극성이 정렬되면 모터가 고정되고 오프셋 되면 힘이 발생하여 움직임이 발생할 수 있다. 생성된 힘은 전류가 자기장 크기와 생성되는 힘을 결정하므로 코일의 전류 크기와 직접 관련이 있다.

이러한 의미에서 전류의 크기, 타이밍 및 방향은 전기 모터로서 주어진 모션 프로파일을 생성하기위한 중요한 제어 값 중 하나이다. 전류와 모터 성능 사이의 관계는 모터를 통해 모션 명령이 실행되는 방식의 기반이다.(x, y) 위치로 이동하는 데 20N의 힘이 필요한 경우 공급할 전류의 양을 알아야하다. 이상적으로 힘(F)과 전류(I) 관계 F(I)는 선형이므로 전류의 작은 변화는 전체 모션 범위에서 작은 힘의 변화를 가져온다.

비선형 영역을 가질 때는 작은 힘의 변화를 위해 큰 전류의 변화가 필요하다. 두 모터 유형에 대한 F(I) 관계의 그래픽 회로도는 그림 1에 나와 있다. 이러한 비선형 영역을 사용하는 모터는 비선형 영역에서 전류에 대한 힘 출력 변화를 알기 위해 고급 서보 루프 시스템이 필요하다.

잠재적 애플리케이션

모터가 비선형 F(I) 관계를 갖는 이유는 무엇일까? 전자기장은 모터의 움직임을 생성하고 제어하기 위해 조작된다. 이 변화하는 자기장은 전도체의 전류 흐름이 자기장을 생성하는 것과 같은 방식으로 민감한 전도성 물질에 전류 흐름을 유도한다. 이를 와전류라고 한다.

일부 모터 유형의 전자기 코일은 다른 모터 부품에 와전류를 유도한다. 그런 다음 와전류는 추가 자기장을 생성한다. 자기장은 벡터 양이기 때문에 상호 작용하는 모든 자기장의 방향과 크기는 공간 전체에서 합산되어 자기장 크기를 줄임으로서 생성되는 전체 힘에 영향을 미치기 때문에 중요하다.

더 많은 모터 힘을 생성하기 위해 전류를 증가시키면, 와전류와 자기장도 증가한다. 이 효과는 코어형 리니어 모터에서 비선형 F(I) 관계로 나타난다. 자기장과 관련하여 많은 양의 전도성 물질이 움직일 때 와전류가 생성된다.

코어가 없는 리니어 모터의 경우에도, 방열판이 있으면 상호 작용하는 자기장과 방열판에 의해 생성된 와전류로 인해 F(I)에 비선형 관계가 형성된다. 모터에 대한 설계들이 와전류를 줄이는 데 도움이 되지만 제거되지는 않는다.

선형 축 모터의 힘-전류 관계가 선형인 이유

Nippon Pulse의 선형 축 모터의 기본 구조는 F(I) 관계를 비선형으로, 만드는 와전류 생성을 제거한다. 이를 이해하기 위해 자기장에 의한 와전류가 생성되는 것을 확인할 수 있다. 각 재료는 자기장에서 생성된 와전류에 대해 민감성을 가지고 있다. 변화 빈도가 낮은 자기장의 경우, 재료의 전도도 때문이다. 자기장의 주파수는 재료 내면으로 침투되는 자기장 깊이에 반영된다.

자기장이 금속 내에서 와전류를 생성할 때, 에너지는 금속의 저항열과 와전류 자기장의 생성과 영향에 의해 소비된다. 단위 부피당 와전류의 전력 손실 p는 일반적으로 다음 식으로 표현된다.

여기서 σ는 재료 전도도, Bp는 피크 자기장, d는 재료 또는 라미네이션의 두께, f는 필드 스위칭 주파수, δ는 재료 밀도이다. 방정식에서 전력 손실을 줄이기 위해 재료 두께와 전도도를 줄이면서 재료 밀도를 높이면 주어진 자기장 강도 및 주파수에 대한 전력 소비가 감소한다는 것을 알 수 있다.

필드의 주파수가 충분히 높으면 필드 방향의 변화가 방향을 전환하기 전에 자기장이 재료를 완전히 관통하지 않을 만큼 충분히 빠르다. 이것은 자기장이 금속의 내면을 침투하는 만큼만의 효과를 만든다. 침투 깊이는 전력 손실을 계산하는 새로운 방법이다. 깊이의 계산은 다음과 같다.

μr은 재료의 상대 투자율이고 μ0는 진공의 투자율이다. 이 방정식에서 μr 및 σ가 증가하면 깊이가 감소함을 알 수 있다. 따라서 높은 전도성과 높은 투과성 재료는 자기장 주변에서 사용하기에 이상적이다.

전력 손실을 살펴보면 ‘힘 대 전류’ 관계에 대한 구성 요소는 방정식(1)의 자기장이다. 자기장이 증가함에 따라 전력 손실은 필드 강도 크기의 두 번째 전력에 따라 증가한다. 와전류를 생성하는 코일 생성 자기장은 다음과 같이 주어진다.

여기서 n은 코일의 회전 밀도이고 I는 전류이다. 방정식(3)에서 알 수 있듯이 자기장 강도는 전류와 리니어와 관련된다. 코어 모터에서 μr은 코어로 사용되는 철 성분의 상대 투자율이다. 이러한 모터의 경우 설계가 영구 자석의 자속의 절반을 사용하므로 코어가 에어 코어 코일보다 더 큰 자기장을 생성하는 데 필요하다.

다음은 코일이 영구 자기장과 상호 작용하여 생성되는 힘을 살펴본다. 코일에 의해 생성된 자기장과 영구 자석 사이의 힘은 다음과 같다.

영구 자석 모터의 경우 주어진 시간에 하나의 극만 코일의 자기장과 상호 작용하도록 자석이 배치된다. 리니어 추력을 만드는 것은 바로 이 관계이다. 두 극이 상호 작용하면 회전 토크가 생성된다. 힘 방정식은 힘-전류 관계가 코일의 필드 방향과 영구 자석의 필드 방향 사이의 주어진 각도 방향에 대한 선형을 보여준다. 필드 라인이 서로 90도에서 절단되면 최대 힘이 생성된다.

Nippon Pulse 모터는 리니어 F(I) 관계를 갖는데, 이는 모터가 전자기 코일을 둘러싸거나 주변에 상당한 양의 전도성 물질이 없기 때문이다. 이 재료를 사용하는 다른 모터의 경우 저항 가열(I2R)을 통한 자기장 및 전력 손실을 상쇄하다.

방정식(1),(3),(4)을 살펴보면 정성적인 의미로 볼 수 있다. 코일에서 전류와 생성된 자기장은 전류-힘 관계와 마찬가지로 선형관계 라는 것을 알 수 있다. 그러나 와전류는 그렇지 않다. 모터의 자기장과 상호 작용할 수 있는 재료가 있으면 비선형 전력 손실 관계로 인해 더 높은 전류(자기장 강도)에서 전력 손실을 줄일 수 있다.

전기 모터의 경우 모터에 입력되는 전력은 전류 시간 전압(P = IV)이고, 손실되는 전력은 저항성 가열 손실 또는 I2R 이다. 와전류를 고려할 때 에너지는 전도성 물질에서 전류와 자기장을 생성하는 데 사용된다. 이 에너지는 코일과 영구 자석 사이에 힘을 생성하는 데 사용되지 않는다. 이 유용하지 않은 전력 손실은 자기장을 제곱으로 증가하고 높은 전류에서 힘의 생성에 부정적인 영향을 미친다.

코어모터의 코일 내부 및 주위 또는 코어리스 모터에서 작동 중의 냉각상태 유지를 위한 외부 방열판에 전도성 물질이 그리 많지는 않다. 리니어 샤프트 모터에는 각 극에서 작은 공간 배열을 가진 고강도 자기장의 영구 자석 샤프트가 있다. 샤프트에 대한 전자기 코일과 영구 자석의 자기장 은 코일에 의해 생성되는 자기장을 향상시키기 위해 코어가 필요없이 상당한 힘을 생성한다.

리니어 샤프트 모터의 작동 온도는 모터 설계로 인해 발생하는 힘 또는 모터 강성의 손실없이 135 ° C이다. 코어리스 모터는 열 증가로 인해 영구 자석이 고정 위치에서 분리되거나 이동한다.

결론

모터를 사용할 때 무엇을 입력 값으로 하고 무엇을 출력 값으로 얻는 지를 아는 것이 중요하다. 간단하게 만들수록 시스템이 견고하다.

리니어 힘-전류 관계를 사용하면 근사 또는 F(I) 방정식에 대한 추가 항목 또는 근사값을 적용할 필요가 없어진다. 생성된 힘이 요구되는 힘이기 때문에 정확도와 반복성을 향상시킬 것이다.

자료 제공: Nippon Pulse(www.nipponpulse.com)