실험실 자동화 애플리케이션에 적합한 듀얼 모션 리니어 액추에이터 Z-Theta™

전 세계적으로 전염병이 계속 증가함에 따라 실험실 자동화의 새로운 기술에 대한 필요성이 계속 증가하고 있다. 기계 설계의 개선으로 더 안정적이고 더 정확한 테스트 결과가 가능하며 기존 접근 방식보다 더 빠르고 전체 비용이 더 낮다.

Haydon Kerk Pittman의 새로운 Z-Theta™ 듀얼 모션 선형 액추에이터와 같은 하이브리드 극/직교 기술을 기반으로 하는 실험실 장비는 다양한 실험실 자동화 애플리케이션에 적합한 유연성, 가치, 내구성 및 성능을 포함하여 기존의 직교 좌표계에 비해 상당한 이점을 제공한다.

전통적 대 하이브리드: 직교 좌표계와 극/직교 시스템과의 비교

실험실 자동화에서 설계자는 아래 그림 1(b)와 같이 X-Y 또는 X-X'-Y 축 구성을 사용하여 직교 좌표계에 대한 샘플 베드를 전통적으로 구성했다. 이 전통적인 방법은 성공적이지만 그림 1(a)와 같은 하이브리드 극성/직교 시스템은 실험실 샘플 및 액체 관리에서 점점 더 인기 있고 유익한 대안을 제공한다.

하이브리드 시스템 작동 방식

그림 2의 평면도에 표시된 전통적인 직교 좌표계를 사용하면 샘플 위치 1에서 위치 2로 간단하게 이동할 수 있다. 이 그림에서 파란색 선은 그림 1의 하이브리드 모델에 표시된 것과 같은 강성이 좋은 암을 나타낸다.

대조적으로, 그림 1(a)에 표시된 것과 같은 하이브리드 극/직교 좌표 시스템에서 샘플 위치 간의 이동에 대한 계산은 삼각법이 포함되어 더 복잡하다. 그러나 기하학적 구조를 알고 있기 때문에 계산이 간단하다. θ(Theta) 및 x축에 대한 양의 규칙에 따라, 방정식 Eq. 1 및 Eq. 2 위치 1에서 위치 2로 관절을 움직이는 필요한 관계식이다.

실제로, 변수 Y, Y', X, X' 및 A는 기계의 물리적 구성으로 알려져 있다. 따라서 θ와 θ'만 계산이 필요하다. 이 경우, θ가 음의 방향으로 이동해야 하는 경우(그림 2에 정의됨), θ 축 명령은 다시 Eq.3에 기록된다.

콤팩트한 듀얼 모션 생성

단일 함수의 일부로 선형 및 회전 운동을 생성하는 데 몇 가지 방법을 사용할 수 있다. 종종 설계자는 벨트, 풀리 및 지지 베어링의 조합을 선택하여 순전히 선형 제품을 회전시킨다. 이 접근 방식은 효과적이기는 하지만 덜 복잡한 솔루션보다 더 많은 구성 요소와 추가 조립 시간이 필요하다. 또한 벨트는 시스템의 규정 준수를 증가시켜 전체 대역폭을 제한할 수 있다. 이 효과의 영향을 줄이기 위해 설계자는 두 가지 기계적 변형을 고려한다.

• 풀리 비율 – 이 비율은 기본적으로 축을 기어링하므로 모터 샤프트에 반영되는 관성 감소를 허용한다. 벨트 풀리 구성에 대해 업계에서 일반적으로 인정하는 표준은 2:1 비율 아래로 떨어뜨리는 것이다. 풀리 비율의 결과는 원래 설계의 비율이 1:1인 경우, 반사 관성이 4배 감소한 것이 된다.

• Theta 암 재구성 – Theta 암을 변경하면 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 무게를 회전 중심으로 이동할 수 있다. 이 동작은 회전 관성에 영향을 미치므로 성능 향상에도 도움이 될 수 있다.

극/직교 시스템의 기계 설계에 대한 이점

극좌표/직교 시스템은 샘플 무결성 개선, 기계 설치 공간 감소, 대체 방법에 비해 비용 절감 제공을 포함하여 여러 가지 방법으로 실험실 자동화의 기계 설계에 이점을 줄 수 있다.

오염 감소를 통한 무결성 향상

모션 제어 구성 요소는 기본 작동 중에 서로 접촉하기만 하면 미립자를 생성하며 이 이물질은 테스트 결과의 무결성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 테스트 샘플 위에 직접 장착된 구성 요소를 사용하는 그림 1(b)에 있는 기존의 직교 시스템은 샘플 오염의 위험이 있다.

샘플 오염의 위험을 완화하기 위해 모션 장치를 보호하거나 밀봉하는 옵션은 종종 기계 크기 및/또는 전체 비용을 증가시킨다.
하이브리드 극/직교 시스템의 설계는 이러한 오염을 사실상 없애 준다. 표준 직교 시스템과 달리 하이브리드 시스템에서는 강체 암의 움직임이 직접 접촉하는 구성 요소와 분리되어 있으므로 이 운동은 미립자를 생성하지 않는다. 그림 1(a)에 표시된 z축 가이드는 샘플 자체가 아닌 x축의 이동 경로를 따라 미끄러지므로 외부 파편이 테스트 샘플을 오염시킬 위험이 더욱 완화된다.

효율적인 공간 사용을 통한 공간 감소 및 유연성 향상

대부분의 샘플 어레이 장비는 여러 개의 테스트 튜브 랙(racks of test tubes)을 포함하는 그림 1(a) 및 1(b)에 표시된 것과 같은 큰 샘플 크기를 처리하도록 설계되었다. 그러나 순수한 직교좌표 시스템은 구성으로 인해 종종 큰 공간을 차지한다. 캐리지, 모터 및 엔드 스톱은 사용할 수 없는 스트로크 길이를 소모하고 테스트 베드 주변의 사용할 수 없는 공간으로 인해 복합 장치의 전체 크기가 추가된다.

반대로, 극/직교 시스템의 모션 구성 요소는 z축과 Theta 암을 제외하고는 대부분 테스트 베드 아래에 위치한다. 이 디자인에서 고정 암은 각 개별 샘플을 처리하기 위해 샘플 어레이 위로 스윙하는 Theta 축에 부착되어 더 큰 유연성을 달성한다.

구성 요소는 샘플 베드의 중앙을 통과하여 이동하여 공간을 절약하고 샘플 베드가 기계 영역의 한계까지 실행할 수 있는 감소된 설치 공간을 만든다. 또한 x축의 스트로크를 줄이면 강체 암이 Theta 스윕 (sweep)을 통해 연결되어, 스트로크의 양쪽 끝에서 x축 범위를 확장하여 x축을 따라 불필요한 스트로크를 제거하고 비용을 절감하기 때문에 2차 공간 절약을 달성한다.

선형 변환을 위해 x축에 Theta 축을 추가하면 순수 직교 X-Y 또는 X-X'-Y 시스템을 효과적으로 대체할 수 있다. 각각의 경우에 z축은 그림 1과 같이 사용될 수 있다.

단순성을 통한 비용 절감

위에서 설명한 대로 더 짧은 x축과 전체 설계에서 더 적은 수의 구성요소를 사용할 가능성을 통해 하이브리드 극/직교 시스템은 상당한 비용 절감을 달성할 수 있다. 아래에 설명된 Haydon Kerk Pittman의 Z-Theta™ 듀얼 모션 플랫폼의 경우 이러한 절감 효과는 기존의 순수 직교 좌표 설계에 비해 최대 60% 이다.

Haydon Kerk Pittman의 Z-Theta™ 듀얼 모션 플랫폼의 장점

회전 및 선형 운동의 단일 장치를 제공하는 기존 설계는 거의 없으며 Theta 축에 벨트를 사용하지 않고 수행하는 설계는 훨씬 더 적다. Haydon Kerk Pittman의 혁신적인 Z-Theta 선형 액추에이터는 그 이상을 수행한다.

그림 3에 표시된 Z-Theta는 집중된 개발, 제조 전문 지식, 회전 및 선형 운동에 대한 깊은 지식의 결과이다. Z-Theta는 가느다란 동축 프로파일에 가이드와 선형 구동이 결합된 특허 받은 ScrewRail? 선형 액추에이터를 특징으로 한다. 한 쌍의 스테퍼 모터와 Haydon Kerk Pittman의 고유한 이중 모션 통합은 기존 설계 접근 방식과 비교할 때 모션 시스템 크기를 50-80% 줄이고 전체 비용을 최대 60%까지 줄이는 방식으로 회전(Theta) 모션을 추가한다.

추가적인 맞춤형 옵션에는 다양한 리드 스크류 분해능, 사용 가능한 free-wheeling 및 백래시 방지 너트 선택, 스테퍼 모터 구성 옵션, 위치 확인 또는 장치의 전체 스텝 서보를 제어하는 선형 및 로터리 축 모두에 대한 옵션 인코더가 포함이 된다.

Z-Theta의 고도로 구성 가능한 디자인은 기존 어셈블리에 쉽게 통합하기 이상적인 풀 모션 솔루션을 제공하며, 콤팩트한 모듈식 "볼트인(bolt-in)" 패키지는 복잡성을 줄여주는 이점을 준다.

자료 제공: Haydonkerk Pittman Ametek (www.haydonkerkpittman.com)