리니어 모션 시스템에서 정확도와 반복성의 상관 관계

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리니어 모션 애플리케이션을 논의할 때 초보 사용자는 “이 액추에이터가 얼마나 정확한가”라고 질문하기 마련이다. 대답은 단순한 숫자로 말할 수 없을 정도로 복잡하다. 완전히 이해를 위해서는 액추에이터 사양과 실제 애플리케이션이 어떻게 관련되는지 알아야 한다. 그 예로 Accuracy(정확도, 위치 정밀도)와 Repeatability(반복성, 반복 정밀도)는 동일하지 않다. 또한 때론 반복성이 정확도보다 중요한 경우도 있다. 두 가지 특성의 상대적 중요성은 애플리케이션에 대한 철저한 이해에 달려 있다.

먼저 지정할 매개 변수를 정확히 정의해야 한다. 정확도는 지령된 위치를 도달하는 액추에이터의 능력을 나타낸다. 즉, 정확도는 명령된 위치와 실제 위치의 오차를 측정한 것이다. 단일 축 시스템의 위치 오차는 기계식 액추에이터 자체, 모터, 인코더와 모터 드라이버와 같은 여러 요소에서 발생할 수 있다. 이러한 각 요소는 리니어 액추에이터 시스템의 정확도와 반복성에 영향을 준다. 본문에서는 로드리스 액추에이터의 기계식 플랫폼과 이의 정확도 및 반복성에 어떻게 서로 영향을 주는지에 대해 구체적으로 설명한다.

모션 제어 좌표계

리니어 액추에이터 하드웨어는 6 자유도에서 오차를 나타낼 수 있다. 이를 모션 제어 좌표계라고 한다. 첫 번째 단계로 기계 설계자는 1 자유도에서만 오차를 제거하는 것이 중요한지 또는 가능한 모든 자유도를 포함하여 3차원 공간에서 장치를 정확하게 배치하는 것이 목표인지 결정해야한다.

이를 단순화하는 방법은 액추에이터를 테이블 위에 평평하게 놓는다. 그러면, 발생할 수 있는 모션 오차는 위/아래 방향(-Z- 축), 좌우 방향(-Y- 축) 및 종단 간(-X- 축) 방향 일 수 있다. 이 축을 중심으로 한 회전은 총 6개로 3개의 자유도를 구성한다.

가능한 모든 오차 원인을 고려할 때 애플리케이션 매개 변수가 매우 혼란스러워 보일 수 있다. 이를 명확하게 하기 위해 아래 애플리케이션을 통해 기본 사항을 검토해본다.

직선 운동이 발생하면 액추에이터는 구성에 사용된 요소 및 방법에 따라 결정된 스트로크 길이를 통해 이동한다. 리니어 액추에이터에는 구성요소가 장착되거나 부착되는 구조가 있어야한다. 이는 매우 고정밀 장치의 알루미늄, 강철 등이 될 수 있다.

일부 액추에이터는 압출 알루미늄 프로파일을 사용하여 생성되고, 다른 액추에이터는 다양한 정밀도로 가공된 부품을 사용할 수 있다. 이 구조에는 기능을 보장하기 위해 적절한 하드웨어와 함께 리드 스크류 또는 타이밍 벨트와 같은 구동 구성 요소가 부착되어 있다. 툴링 픽스쳐 또는 엔드 이펙터와 같은 하중을 전달하거나 지지하도록 설계된 액추에이터의 경우 베어링 레일과 같은 하중 전달 구성요소도 있다. 이러한 기본 구성요소는 액추에이터의 기본이다. 이제 몇 가지 가능한 오차 원인을 살펴보자.

정확도와 리니어 액추에이터

모든 기계 장치 및 구성 요소에는 치수 및 기하학적 공차가 있다. 시스템을 완전히 이해하고 가능한 오차를 평가하려면 가능한 모든 공차를 고려하는 것이 중요하다. 리니어 시스템의 오차 평가를 위한 하나의 예로, 볼 스크류로 구동되는 압출 알루미늄 프로파일과 리니어 볼 베어링 레일을 사용하여 제조된 12인치(304.8mm) 스트로크 액추에이터를 고려해보자. 압출 알루미늄 프로파일부터 시작하여 압출 프로파일에 일부 제조 공차가 있다. 이러한 공차는 피처 크기와 굽힘 및 비틀림과 관련이 있다.

리니어 베어링 레일이 압출 알루미늄 프로파일에 부착되어 있으며, 시스템에는 제조 공차가 존재한다. 즉, 베어링 및 베어링 크기 그리고 레일 사이 간에 틈새가 있으며, 또한 레일 베이스와 레일의 볼 레이스 사이의 평행도 오차를 갖는다. 끝으로 구동은 볼스크류 메커니즘이며, 스크류와 너트에도 공차가 있다. 이것은 스크류 리니어 정확도 외에도 스크류와 너트 사이의 백래시와 관련이 있다.

이 예에서, 알루미늄 프로파일부터 시작하여 모션 경로의 형상크기 공차가 +/- 0.0025 인치(+/- 0.0635mm)이고 모든 기능 편차가 이 공차 범위 내에 맞아야 한다고 가정하자. 다시 말해, 압출 프로파일의 두께는 +/- 0.0025 인치(+/- 0.0635mm)로 변경될 수 있다.

최악의 시나리오를 사용하면 프로파일의 두께가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 0.127mm(0.005 인치) 가늘어 지거나 액추에이터의 한쪽 끝이 다른 쪽보다 0.005(0.127mm) 높다. 또는 프로파일의 두께나 높이가 동일한 양에도 다를 수 있다. 6개의 자유도에 대한 설명했듯이 이것은 Z축을 나타낸다. 이 피처 크기 변화 외에도 압출 프로파일에서 가능한 스트로크의 12 인치(304.8mm) 당 0.005 인치(0.127mm)의 비틀림 허용 오차가 있다고 상상해보자. 이것은 압출 프로파일의 한쪽 끝이 다른 쪽에 비해 0.005 인치(0.127mm)만큼 비틀어져 있음을 의미한다.

이것은 X축에 대한 회전을 의미한다. 또한, 압출 프로파일이 0.0025 인치(0.0635mm)의 한계까지 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 전체 아치 모양을 가질 수 있도록 하는 휨 허용 오차가 있다. 이것은 Y축에 적용된다. 다음에는, 리니어 볼 베어링 레일을 압출 프로파일에 장착한다. 리니어 볼 베어링 레일 어셈블리에 베어링 볼과 베어링 레일 사이에 약간의 간격이 있다고 상상해보자. 이 간격은 일반적으로 0.002 인치(0.0508mm) 범위에 있다. 그러나 액추에이터 시스템 전체 오차에 추가되므로 무시할 수 없다.

최악의 시나리오를 보면 베어링 클리어런스가 X, Y 및 Z방향에서 가능한 오차를 허용한다. 마지막으로, 볼 스크류와 너트가 설치된다. 이 볼 스크류는 예압이 없는 볼 너트로 정밀하게 압연되었다고 가정하자. 이 조합의 백래시는 0.003 인치(0.0762mm)이며 정확도 평가에 포함돼야한다. 백래시는 이해하기 쉽지만 스크류의 리드 정확도는 어떨까. 정밀 압연 공정에서도 스크류 부품의 리드 정확도를 평가할 때도 고려해야한다. 이 공정에 의해 생산되는 여러 등급의 스크류산이 있지만 일반적인 스크류산은 이동 거리 12 인치(304.8mm) 당 리드 정확도가 0.002 인치(0.0508mm) 인 ISO 7등급 일 수 있다.

따라서, 이 특정 볼 스크류를 사용하면 리드 정확도로 인해 X축을 따라 발생할 수 있는 오차가 전체 이동을 따라 최대 0.002 인치(0.0508mm)가 될 수 있다. 이처럼 리드 정확도를 잘 이해하는 한 가지 예는 액추에이터에 12 인치(304.8mm)까지 이동하도록 지령했지만 결과는 11.998 인치(304.7mm)에 불과할 수 있다는 것이다. 이 모든 잠재적 오차는 중요하거나 그렇지 않을 수도 있다. 이는 모두 애플리케이션에서 중요한 것이 무엇인지에 달려 있다. 공차로 인한 액추에이터 어셈블리는 높은 위치 정밀도가 필요한 경우 좋은 선택이 아닐 수 있다.

보충 설명을 위해 위에서 설명한 액추에이터가 장착 지점이 끝점에만 있고 수평 방향으로 배치된 애플리케이션에 설치되었다고 상상해보자. 그런 다음 툴링이 액추에이터 캐리지에 부착되고 수직으로 확장된다. 이 애플리케이션에서 정확도에 대한 요구는 툴링의 끝이다. 직선 운동이 발생하면 툴링 포인트의 오차는 형상 크기 공차로 인해 Z 축에서 0.005 인치 또는 0.127mm, 비틀림으로 인해 X 축에서 0.005 인치 또는 0.127mm 그리고 휨으로 인해 Y 축에서 0.0025 인치 또는 0.0635mm 발생할 수 있다.

이 오차는 툴링이 캐리지 블록 위로 확장되면서 점차 커진다. 또한 툴링 포인트는 볼 스크류 리드 정확도(0.002 인치 또는 0.0508mm) 및 볼 너트 백래시(0.003 인치 또는 0.0762mm)로 인해 추가적인 오차를 나타낸다. 리드 정확도와 백래시는 모두 X 축에 의한 오차에 영향을 준다.

따라서 이 예에서 설명한 액추에이터는 부품을 0.0025 인치(0.0635mm) 이내에 배치해야 하는 정밀 조립 애플리케이션에는 적합하지 않다. 여러 모션 축 전체에서 복합되는 다축 구성을 고려할 때도 마찬가지이다.

반복성과 리니어 액추에이터

일부 애플리케이션에서는 정확도가 중요하지만 다른 애플리케이션에서는 정확도가 필요하지 않다. 요점은 이러한 공차가 모든 액추에이터 시스템에 어느 정도 존재하며, 액추에이터를 선택할 때 고려해야 한다는 것이다. 액추에이터를 장착하고 부하 방향에 주의를 기울이는 것도 전체 정확도와 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있다.

위에서 언급된 액추에이터 시스템의 반복성은 다른 문제가 될 것이다. 반복성은 연속적인 시도에서 미리 정해진 위치로 돌아갈 수 있는 능력을 말한다. 달리 말하면 시간이 지남에 따라 그 위치를 달성하는 데 오차가 발생한다. 위의 예와 같이 시스템의 정확도가 높지 않을 수 있지만 실제는 높은 수준의 반복성을 가질 수 있다.

위에서 설명한 액추에이터를 다른 유형의 애플리케이션에 적용하는 것을 고려해보자. 적용 요구 사항은 액추에이터가 수직 방향으로 배치되고, 알려진 평평한 표면에 장착되며, 리니어 베어링 시스템에서 오프셋 하중 또는 굽힘 모멘트를 생성하는 액추에이터 캐리지에 부착된 도구가 있다는 것이다.

이 애플리케이션의 요구 사항은 다음과 같다고 상상해보자. 즉, 액추에이터 캐리지에 부착된 툴링이 4.00(101.6mm), 8.00(203.2mm) 및 11.00 인치(279.4mm)의 세 가지 정의된 지점에 배치되어야 하며 각 위치에는 공간의 필요한 지점에 대한 +/- 0.005 인치(0.127mm) 위치 반복성이 필요하다.

이 애플리케이션 예제에는 반복성에 영향을 미치는 몇 가지 요소가 있다. 예를 들어, 이것이 수직 적용이기 때문에 툴링/하중에 대한 중력의 영향이 백래시와 베어링 틈새를 아래쪽으로 치우치므로 볼 너트 백래시 및 리니어 베어링 틈새가 완화된다. 이 축의 반복성은 장기 부품 마모와 관련된다.

액추에이터가 정의된 세 지점으로 이동해야 하면 해당 지점에 대한 반복성을 평가할 수 있다. 액추에이터는 알려진 평평한 표면에 장착된다. 그렇게 함으로써 활과 비틀림의 효과가 거의 0으로 완화된다. 이것은 형상 크기의 공차만 남겨두게 된다. 이 액추에이터의 형상크기 변화는 이동 길이에 따라 0.127mm(0.005 인치)으로, 이는 모션 요구사항의 필수 허용 오차 내에 있을 뿐만 아니라 액추에이터 구조가 제한되어 있기 때문에 변경으로 인한 결과도 아니다.

정확도와 반복성과 다르다. 특히 미리 지정된 지점을 도달하려고 할 때가 그렇다. 각 액추에이터가 배치되는 방식은 결과에 상당한 영향을 미친다. 이 예제에서의 액추에이터는 높은 반복성을 가질 수 있으며 매우 정확하지 않아도 우수한 성능을 제공할 수 있다.

따라서 성공의 열쇠는 애플리케이션에 필요한 것이 무엇인지 이해하고 그에 따라 액추에이터를 선택하는 것이다. 이렇게 하면 초과 비용을 피하고 전체적으로 최적화된 좋은 시스템을 설계할 수 있다.

자료 제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)