차세대 리니어 모션 시스템의 효율적 운영을 위한 OEM 가이드

엄청난 경쟁력과 기하급수적인 시장 성장을 충족하기 위해 생명 과학 및 생의학 분야의 OEM은 기술, 프로세스, 워크플로 및 수율의 개선을 지속적으로 추구해야 한다. 그러나 개선은 좋은 결과에만 국한되지 않는다. 또한 연구, 과학, 의료 및 기타 중요한 응용 분야에서 사용되는 고급 장비의 사용 중 오류를 방지해야 한다.

겉보기에 사소해 보이는 선형 모션 시스템의 구성 요소의 개선 사항과 보호 장치를 무시하면 사소한 것부터 심각한 것까지 다양한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 이러한 장비를 제조하는 OEM과 그 사용자는 항상 주의를 기울여야 한다.

이 기사는 생명 과학, 생물 의학 연구 및 자본 장비 제조를 발전시키기 위해 차세대 선형 모션 시스템을 지정, 설계, 설치 및 유지 관리하는 방법을 강조한다.

결과

전 세계의 엔지니어링 관리자, 엔지니어링 이사 및 CTO는 안정적인 선형 동작이 절대적인 운영상의 필수 요소라고 말한다. 예방의 관점에서 이는 자본 장비 제조업체와 장비 사용자 모두가 프로세스 전반에 걸쳐 선형 모션 구성 요소 또는 시스템에서 비교적 드문 고장 위험도 모니터링해야 함을 의미한다. 이 문제에는 DNA 시퀀싱에서 바이오 프린팅, 원자력 현미경(AFM)에 이르는 장비가 포함된다.

엄청난 비용 투입

단일 부품 또는 시스템의 고장으로 인해 비교적 단기간의 가동 중지 시간에도 수십만 달러의 비용이 장비 사용자에게 발생될 수 있다. 수리 또는 교체를 위한 위치, 심각도 및 응답 시간에 따라 비용이 훨씬 더 많이 증가할 수 있다. 인적 안전 위험은 또 다른 가장 중요한 관심사이다. 드물기는 하지만 설계 결함이나 작동 안전 장치를 따르지 않으면 끼임 지점에서 폭주 단계에 이르기까지 모든 것이 발생할 수 있으며 부상에서 감전까지 손상을 일으킬 수 있다.

사양 및 디자인

우선, 선형 모션 제조 시설이 모든 핵심 프로세스의 일관성을 보장하기 위해 ISO 인증을 받는 것이 필수적이다. 또한 세심한 프로토타입 제작은 완성된 모션 구성 요소 또는 시스템의 성능 및 안정성을 유지하는 데 핵심적인 단계를 찾는 데 도움이 된다.

조립 또는 테스트의 여러 작고 중요한 단계 중 하나라도 누락되거나 제대로 수행되지 않으면 궁극적으로 현장에서 시스템 오류가 발생할 수 있다. 따라서 생물 의학 및 생명 과학 도구 제조업체는 경험이 풍부한 올바른 고품질 선형 모션 공급업체와 거래하고 있는지 확인해야 한다. 또한 많은 생명 과학 및 생물의학 장비 제조업체는 장비를 광범위하게 업데이트 및/또는 재설계된 차세대 플랫폼으로 교체하기 전에 5~7년(잠재적으로 그 이상)의 안정적인 서비스를 제공하는 목표를 설정한다.

구성품 수명 계산은 적절하게 수행되어야 한다. 듀티 사이클은 애플리케이션마다 다를 수 있기 때문에 서비스 수명은 많은 선형 모션 구성 요소에 대해 이동된 킬로미터로 표시된다. 그런 다음 선형 모션 제작자는 해당 계산을 제품에 대한 다양한 결정으로 변환해야 한다. 예를 들어, 널리 사용되는 한 케이블은 50 mm 이상의 굴곡 반경이 유지되는 경우 1천만 회 이상의 굴곡 주기(flex cycles)를 지정한다. 그러나 굽힘 반경의 크기가 올바르지 않으면 케이블에서 떨어지는 미립자나 케이블 트랙 또는 커넥터에 가해지는 응력으로 인해 프로세스(특히 유지 관리 일정이 엄격하게 준수되지 않는 경우)에서 조기 고장이 발생할 수 있다.

맞춤화 고려

기성 부품은 자본 장비 제조업체가 생명 과학 및 생물 의학 애플리케이션을 위해 구축하는 많은 어셈블리에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 한 가지 우려는 스톡 선형 모션 스테이지 요소가 공급업체가 조립하는 다른 구성 요소 및 구조의 정확한 조합과 함께 작동하도록 설계 및 구성되지 않았을 수 있다는 것이다. 예기치 않은 비호환성이 발생할 수 있다.

제조업체의 일상적인 설계, 품질 관리 및 검사 프로토콜에 문제가 있는 것은 아마도 확실히 아닐 것이다.

종종 맞춤형 주문만이 특정 성능 요구 사항의 목표를 충족할 수 있다. 이를 통해 자본 장비 제조업체는 애플리케이션이 필요로 하는 단계의 설계 측면, 특히 속도에서 가속, 안정성에 이르기까지 요소를 조정하는 데 집중할 수 있다. 기성품 단계에서 표준으로 제공되는 불필요한 기능을 제거하여 비용을 절감할 수도 있다. 또한 숨겨진 비호환성이 없는 통합 솔루션을 보장한다.

생명 과학 및 생물 의학 자본 장비 공급업체는 선형 모션 제조업체로부터 주문에 대한 진정한 "사양 시트에서 프로토타입 제작" 제어를 찾아야 한다. 이러한 지능형 사용자 지정은 제품의 단점을 예측 및 제거하고 통합의 장애물을 피하고 전체에서 실패를 방지하는 데 매우 중요하다.

작업에 필요한 정확한 크기, 모양, 코팅 또는 재료로 제품을 지정해야 한다. 그리고 정확도, 속도, 평탄도, 예압(내부 간극을 제거하여 강성을 높이기 위함), 서비스 수명, 유지보수 수준 및 가격에 대한 고유한 목표를 충족하는 솔루션을 고집해야 한다. 때로는 보다 혁신적인 재료가 특정 맞춤형 설계의 위험을 줄이는 데 도움이 될 수도 있다. 예를 들어, 탄소 섬유 구조는 구조적 강도, 강성 및 안정성을 최적화할 수 있다(감소된 무게와 두께에도 불구하고). 동시에 세라믹 베어링은 특정 윤활 문제에 대한 실행 가능한 솔루션이 될 수 있다.

헨들링시 유의

특정 생명 과학 또는 바이오 의료 애플리케이션을 대상으로 하는 선형 모션 구성 요소가 자본 장비 제조업체의 작업장에 도착하면 다른 위험이 발생할 수 있다. 선형 모션 제조업체는 이 중간 단계에서 발생하는 많은 문제를 해결하기 위해 호출될 수 있다.

선형 모터는 모터 트랙 내부를 이동하는 코일이 이동하는 트랙에 마찰되는 바인딩 문제를 겪을 수 있다. 이것은 코일이나 트랙이 정렬에서 약간 벗어나는 삐걱거림으로 인한 취급 문제로 인해 발생할 수 있다. 또는 saddle이 부딪혀 왜곡될 수 있다. 더 큰 도구를 제작할 때 너무 긴 스크류가 추가되어 하나의 직선 운동 판을 다른 판으로 밀어 넣어 긁힘과 작동 중 예측할 수 없는 힘의 위험을 유발할 수 있다.

또는 추가 케이블을 실행하기 위해 접근을 허용하기 위해 장착에서 코일의 스크류를 풀고 잘못 스크류를 다시 조일 수 있다. 이와 같은 사고는 공정의 약간의 성능 저하에서 모터 소손 및 주요 가동 중지 시간에 이르기까지 다양한 실행 위험이 있다. 표면 처리도 세심한 주의를 기울일 필요가 있다.

공차는 모든 면에서 일치해야 한다. 어떤 경우에는 이러한 공정을 위한 도구를 만드는 제조업체가 0.0005인치(12.7미크론)의 평탄도를 위해 구성된 선형 운동 구성요소를 소싱할 수 있다. 그러나 도구 제작자는 그 부품을 0.005인치(127미크론)의 평면도를 가진 더 큰 어셈블리에 볼트로 고정한다. 결과적으로 스테이지가 뒤틀리는 것은 거의 감지할 수 없다. 예를 들어, 이것은 베어링의 결합을 일으켜 베어링의 조기 마모, 볼 스크류에 가해지는 추가 힘 또는 리니어 모터의 더 높은 전력 요구 사항으로 인해 과도한 과열 및 잠재적인 고장을 초래할 수 있다.

접지

선형 모션 시스템의 모든 구성 요소에 적절한 전기 접지가 있는지 확인하는 것은 OEM이 향후 문제를 방지하기 위해 착수할 수 있는 또 다른 예방 조치이다. 이러한 감독은 작업자에게 감전 위험을 초래할 수 있다. 그러나 시스템 성능에도 영향을 줄 수 있다.

접지 경로를 통해 피드백하는 시스템의 접지 루프는 인코더에서 잘못된 판독을 유도하여 구성 요소는 1밀리미터만 이동하지만 컨트롤러는 100밀리미터의 이동을 등록할 수 있다. 예를 들어, 그러한 감독이 포착되지 않으면 위치 정확도로 인해 계측기 판독값에 오류가 발생하여 부정확한 분석이 발생할 수 있다.

효율적인 통합

고객에게 가장 높은 신뢰성의 제품을 제공하기 위해 생명 과학 및 바이오 의료 자본 장비 제조업체는 크고 장기적이며 예방적으로 생각해야 한다. 많은 상황에서 움직이는 부품이 하역장에 도착하기 전에 위험을 제거할 수 있다.

최고의 단일 구성 요소라도 구매하는 관점에서 생각해서는 안된다. 대신 바닥에서 측정 지점까지 완전한 계측 솔루션을 만드는 데 집중해야 한다. 극도의 부드러움과 속도를 제공하는 고성능 크로스 롤러 베어링 외에도 전체 어셈블리의 "소유권"을 차지하는 솔루션을 찾아야 된다. 여기에는 스테이지뿐만 아니라 스테이지가 장착되는 적절하게 격리된 프레임이 포함된다. 여기에는 최첨단 능동적 댐핑 조치도 포함된다. 이러한 종류의 통합 기술은 구성 요소의 움직임과 모든 보조 진동에 대한 견고한 제어를 보장하는 데 도움이 된다.

제조 측면에서, 아마도 라인에 사고를 일으킬 가능성이 가장 큰 프로세스는 선형 모션 시스템을 지시할 제어 요소를 설계하고 구성하는 것이다. 부적절한 배선과 같은 문제가 발생할 수 있으며 빌드의 다른 부분에서 해야 하므로 보호해야 한다. 그러나 가장 주의를 기울여야 하는 것은 제어를 프로그래밍하고 하드웨어와 소프트웨어를 통합하는 무수한 단계이다.

이동 제한을 위한 하드 스톱과 같이 스테이지가 지점에 도달할 때 상태를 보호적으로 트리거하는 센서가 있는 모든 리미트 스위치가 재고 구매인 경우 옵션으로 주문 가능한지? 모두 적절하게 설정되고, 방향이 올바르게 지정되었으며(왼쪽 또는 오른쪽 핀에 플러스 또는 마이너스 한계가 전송됨), 컨트롤러에 적절하게 연결되었으며 적절하게 사용되었는지?

전류 제한이 적절한 수준으로 설정되어 있는지? 무대가 올바르게 조정되었는지? 속도가 시스템 구성 요소의 지정된 한계를 초과하지 않도록 제한되어 있는지?
극단적으로 여기에서의 실수는 애플리케이션의 폭주 단계로 이어질 수도 있다. 움직이는 부품은 컨트롤러와의 통신이 끊기고 스스로의 의지로 움직이기 시작한다. 아마도 원하는 이동 끝을 넘어서 기계의 다른 부품에 영향을 주는 지점까지이다.

그러나 더 가능성이 높은 시나리오에서는 제어 설계 감독이 과전류 상황을 초래하고 모터 손상을 유발할 수 있다. 한계가 올바르게 지정되지 않고 이동 중에 무대나 테이블과 같은 모터 구동 구성 요소가 레일에 있는 예기치 않은 물체(떨어진 스크류, 작업자의 손, 이동 끝 등)에 의해 물리적으로 방해를 받는다고 가정한다). 이 경우 모터는 소진될 때까지 점점 더 많은 전류를 소모할 수 있다. 결과: 장비 종료, 분해, 서비스 또는 교체 - 이 모든 것이 애플리케이션의 해당 부분에 대한 주요 가동 중지 시간과 비용이다.

제어 설계자가 선형 모션 장비 작동 중에 발생할 수 있는 모든 가능한 조건을 고려하지 않으면 훨씬 더 미묘한 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 3축 선형 모션 구성 요소는 수천 번의 반복을 통해 모든 일상적인 작업 동안 완벽하게 수행할 수 있다.

그러나 제한 스위치가 설정되지 않은 예외적으로 드문 구성(예: X, Y 및 Z축이 모두 동시에 이동의 가장 낮은 지점에 있는 경우)에서는 움직이는 구성 요소가 다음 구조로 실행될 수 있다. 그 주변 환경. 계획에서 고려되지 않은, 여기에는 근처의 기둥이나 홀더 또는 디스펜서를 치는 것이 포함될 수 있다. 문제는 다음과 같다. 선형 베어링은 지속적인 동적 및 정적 하중을 수용하는 데 탁월한다. 하지만 임팩트 로딩은 아니다. 선형 모션 구성 요소가 고속으로 무언가에 부딪히면 사양을 벗어난 충격 하중이 발생할 수 있다. 잠재적으로 그러한 단일 타격은 시스템의 모든 베어링을 파괴할 수 있다.

운송 및 설치

충격 하중에 대한 선형 운동 시스템의 상대적으로 낮은 저항은 앞서 언급되었다. 가장 중요한 위험 지점은 다음과 같은 세 가지 기간에 자연스럽게 발생한다:

1) 직선 운동 공급자에서 자본 장비 도구 제조업체로 운송하는 동안

2) 자본 장비 도구에 시스템이 도착하고 통합하는 동안

3) 완성된 장비 어셈블리를 공정 바닥으로 운송하고 설치하는 동안.

신뢰할 수 있고 경험이 풍부한 선형 모션 공급업체는 첫 번째 단계에서 충격 손상의 가능성을 크게 줄일 수 있다. 공급업체 전문가는 제조 공간의 제약을 조기에 파악할 수 있으므로 의료용 클린룸이나 제조 현장에서 쉽게 조립할 수 있는 너무 크거나 무거운 스테이지를 설계하지 않는다. 또한 운송 장비 사용(크레인, 인형 등)을 계획하여 무대를 상자에서 도구로 안전하게 운송하여 현장 직원의 부상 위험과 충격에 의한 손상 가능성을 최소화할 수 있다.

마지막으로, 설치하는 동안 선형 모션 시스템 또는 도구의 관련 부분에 필요한 수동 격리 조치(예: 엘라스토머 발 또는 패드) 또는 능동 격리 댐퍼(센서 조정 에어백 시스템)를 장착하여 작업 중 과도한 충격이나 진동의 가능성을 줄일 수 있다.

윤활

선형 모션 시스템은 일반적으로 문제나 특별한 주의 없이 한 주기마다 실행되지만 소량의 정기적인 유지 관리가 항상 중요하다. 효과적인 유지 관리의 세 가지 핵심은 윤활, 윤활 및 윤활이다. 모든 선형 모션 시스템 공급업체는 지정된 재윤활 서비스 주기로 제품을 배송한다. 그러나 인간의 본성은 그러한 권장 주기를 따르지 않는 단순한 실패에서 많은 문제를 추적할 수 있다. 필요한 윤활이 없으면 마찰 응력이 증가하고 결국에는 시스템 종료 또는 모터 소손과 같은 매우 바람직하지 않은 이벤트가 발생한다.

다른 윤활 문제에는 베어링의 조기 고장으로 인해 진직도, 평탄도, 피치, 롤 및 요와 같은 성능이 감소한다. 또한 모든 진공 그리스가 동일하게 생성되는 것은 아니다. 다른 시스템에는 Klüber, Barrierta 및 Krytox에서 판매하는 것과 같은 다른 공식이 필요할 수 있다.

주의: 각 기계에는 올바른 그리스만을 사용한다. 호환되지 않는 오일이나 그리스를 섞지 않도록 각별히 주의한다. 여기에는 한 주기에서 다음 주기로 기계를 정비할 때 다른 그리스를 사용하는 것이 포함된다. 이렇게 하면 필요한 점도가 변경되어 종종 섬세한 장비에서 바라지 않는 끈적끈적한 시멘트 같은 재료가 쌓이게 된다. 재료에 지나치게 구부러진 케이블, 케이블 캐리어 또는 다른 곳에서도 미립자가 포함되어 있으면 일반적으로 곧 레일 고장이 발생한다.

성능 로드맵

자본 장비 제조업체의 요구에 부응하여 선형 모션 장비 제조업체는 성능 한계를 뛰어넘기 위해 지속적으로 노력하고 있다. 첫째, 개선 사항으로 인해 실수로 인한 선형 모션 실패의 위험이 증가하지 않는지 확인해야한다.

우수한 선형 모션 공급업체는 현재 요구 사항뿐 만 아니라 차세대 사용을 위한 성능 용량으로 설계할 수 있는 시스템 요소를 강조하는 "성능 로드맵"을 제공할 것이다. 이러한 노력은 첨단 기술 생명 과학 및 생물 의학 연구 장비 제조에 특히 중요하다.

결론

선형 모션 프로세스 시스템은 대부분의 생명 과학 및 생물 의학 장비에서 가장 두드러진 요소가 아닐 수 있다. 또한 대부분의 장비 사용자가 일반적으로 가장 우선적으로 고려하는 문제도 아니다. 그러나 그들의 실패는 양쪽 모두에게 심각한 결과를 초래할 수 있다. 다행스럽게도 설계, 설치, 작동 및 유지보수에 대한 적절한 주의는 선형 모션 시스템이 가장 진보된 성공적인 모션 작동에서 중요한 역할을 할 수 있게 보장할 수 있다.

자료 제공: Schneeberger(www.schneeberger.com)