고속 자동화 기계를 위한 고성능 리니어 모션 포지셔닝
산업, 의료 및 생명 과학 시장의 자동화 장비가 점점 더 빠르고 정확해짐에 따라 엔지니어는 고성능 리니어 모션 및 포지셔닝 시스템에 적응해야 한다. 그러나 동시에 모션 컨트롤의 영역이 축소되고 있어 좁은 공간에 들어갈 수 있는 빠르고 정확한 시스템을 설계하는 것이 어려워지고 있다. 그럼에도 불구하고 시대가 요구하는 고성능의 리니어 운동 시스템을 설계할 수 있다.
예를 들어, 고속 통신과 빠른 응답에 최적화된 리니어 포지셔닝 테이블과 디지털 컨트롤러의 조합은 정밀한 위치 조정과 탁월한 제어의 이상적인 균형을 달성한다. 이 기사에서는 고속 자동화 기계에 대한 정밀 리니어 모션 시스템을 구현할 때 기계 설계자들이 고려해야 할 몇 가지 요소와 탁월한 결과를 제공하는 즉시 사용 가능한 설정에 대해 설명하고자 한다.
소형 리니어 모터 포지셔닝 테이블
작은 공간 내에서 제어된 동작을 제공하도록 설계된 리니어 모터 포지셔닝 테이블은 반도체 제조 및 검사, 픽 앤 플레이스 조립, 마이크로 가공, 군용 COTS, 포토닉스 및 실험실 장비와 같은 다양한 동적 응용 분야에 매우 적합하다. 서보 또는 스테퍼 모터와 결합된 볼 스크류는 일부 응용 분야에 적합한 구동 방법이지만 리니어 모터는 일반적으로 자동화 장비에 가장 정밀하고 속도 및 신뢰성을 제공한다. 고성능 네오디뮴 자석은 큰 추진력을 생성한다.
이를 통해 큰 가속 및 감속이 가능하고 고속 및 고응답 포지셔닝이 가능하다. 모터와 부하 사이에 기계적 동력 전달 부품이 없기 때문에 리니어 모터는 백래시의 영향을 받지 않으므로 높은 위치 정확도를 달성할수 있다.
<그림1> 움직이는 자석과 광학 리니어 인코더가 있는 IKO NT 시리즈 리니어 모터 테이블
리니어 모터 외에도 포지셔닝 테이블의 기본 구조에는 미니어처 리니어 레일과 슬라이더 세트, 하중을 전달하는 슬라이드 테이블 및 견고한 베이스가 포함된다. 반응형 위치 지정을 달성하기 위해 리니어 모터 위치 지정 테이블에서 찾을 수 있는 몇 가지 기능은 다음과 같다.
• 우수한 추력 성능: 추력이 높을수록 가속 및 감속 속도가 빨라지고 응답성이 높아진다. 그러나 콤팩트하고 로우 프로파일 장치에서 높은 추력을 전달할 수 있는 리니어 포지셔닝 테이블을 찾는 것은 어려울 수 있다.
• 고해상도 피드백: 모터 및 부하 위치를 추적하기 위해 포지셔닝 시스템에는 피드백을 위한 고해상도 자기 또는 광학 인코더가 필요하다.
• 고속 통신: 네트워킹 프로토콜은 컨트롤러와의 실시간 데이터 교환을 지원해야 한다.
내장 리니어 모터, 리니어 모션 롤링 가이드 및 고해상도 광학 리니어 엔코더를 기본으로 제공하는 IKO International NT 시리즈 포지셔닝 테이블은 이러한 기능을 제공한다. 네오디뮴 자석과 광학 리니어 눈금을 이동 테이블에 통합하기 때문에 정확한 위치 지정으로 최대 70N의 높은 추력을 달성할 수 있다.
실제로 25N의 추력을 제공하는 170그램 테이블은 최대 10G의 가속 및 감속을 달성할 수 있다. NT 시리즈 포지셔닝 테이블은 0.01 마이크로 미터까지의 분해능과 초당 최대 1300mm의 속도를 달성할 수 있다. NT 시리즈는 EtherCAT, SSCETII/H 및 MECHATROLINK 프로토콜을 지원하여 실시간 모션 네트워크를 생성한다. 제품군에서 가장 작은 장치는 전체 길이가 62mm이고 단면 높이가 11mm에 불과한 폭이 38mm에 불과하다.
디지털 서보 드라이브
진동과 진동을 제거하기 위한 기계적 동력 전달 부품이 없는 시스템에는 고전류 루프 대역폭뿐만 아니라 더 높은 주파수 위치 및 전류 제어 루프를 제공할 수 있는 고성능 디지털 드라이브가 필요하다. 이러한 기능은 드라이브가 포지셔닝 정확도와 처리량을 최대화하는 데 필요한 빠른 업데이트 속도를 달성하는 데 중요하다. 다음은 자동화 기계용 정밀 리니어 모션 시스템의 일부인 디지털 서보 드라이브에서 설계자가 찾아야 할 사항이다.
• 고속 통신: 컨트롤러의 네트워크 프로토콜은 응답 시간에 상당한 영향을 미친다. 예를 들어 EtherCAT은 1ms 이내에 데이터 업데이트를 전달할 수 있으며 노드에서 클록의 긴밀한 동기화를 유지하면서 여러 축의 고속 제어를 가능하게 할 수 있다.
• 폐쇄 루프 피드백 및 자동 조정: 폐쇄 루프 시스템은 원하는 모션 매개변수와 위치 및 속도 출력을 비교하고 정확한 제어를 달성 하기 위해 피드백 경로를 통해 편차를 설명한다. 자동 조정은 또한 폐쇄 루프 피드백을 활용하여 필요한 동작을 관리한다.
• 강력한 소프트웨어 도구: 반복적인 동작과 외부 장치가 있는 시스템의 경우 올바른 구성 소프트웨어를 사용하면 탁월한 진단 기능을 제공하고 커미셔닝을 빠르고 쉽게 수행할 수 있다.
• 콤팩트한 크기: 소형 자동화 기계에는 소형 크기의 드라이브와 컨트롤러가 필요하다.
<그림2> 피크 전류 출력이 최대 70A인 Copley Controls 로우 프로파일 나노 모듈 디지털 서보 드라이브
Copley Controls는 디지털 서보 드라이브에서 이러한 특성과 기타 고성능 특성을 제공한다. 예를 들어 나노 모듈 제품군에는 EtherCAT, CANopen 또는 RS-232를 포함한 모션 지원 통신 프로토콜과 함께 사용하도록 설계된 모델이 있으며 프로필 위치, 속도, 토크, 보간 위치(PVT) 및 원점 복귀와 같은 광범위한 작업을 수행한다. 독점 소프트웨어를 통해 사용자는 주파수 분석, 모터 특성화, 필터 구성 및 게인 스케줄링을 수행할 수 있다.
피드백을 위해 드라이브는 Biss C 단방향 및 SSI와 같은 증분 인코더 및 절대 인코더를 지원한다. 이 모듈은 일반적으로 2.5kHz의 전류 루프 대역폭과 16kHz (62.5μs) 업데이트 속도를 제공한다. 최대 70A의 피크 출력 전력을 제공하며 크기는 35x30x23.4mm로 작다. 또한 나노 모듈은 △ 32비트 부동 소수점 필터 △ 여러 고급 필터 △ 주파수 분석 도구 등을 포함하는 고급 기능 세트를 제공한다.
IKO의 NT 시리즈와 같은 고급 초소형 리니어 모터 테이블과 함께 사용하면 기계 설계자는 자동화 기계에서 점점 더 필요로 하는 미크론 수준의 리니어 포지셔닝을 달성할 수 있다.
탁월한 결과를 제공하는 샘플 설정
설정에서 IKO NT-55-V-25/5L 2축(X 및 Y) 스테이지는 Copley AccelnetPlus Drive와 쌍을 이룬다. 포지셔닝 테이블에는 고정 베이스, 500nm 광학 인코더, 0.5 μs 해상도 및 30mm 자기 쌍 길이가 있다. 이 드라이브는 250μs의 위치 루프 업데이트 속도와 1.2A의 피크 전류 및 0.3A 연속 전류를 특징으로 한다. 전원은 80V이다.
모터 사양은 다음과 같이 설정된다.
질량: 0.18kg
최대 힘: 25N; 지속적인 힘: 7N
힘 상수: 16.9706 N/A, 피크
역기전력 상수: 8V/m/s
저항: 66Ω
인덕턴스: 22mH
다음은 몇 가지 주목할 만한 설정에 대한 요약이다.
모터 데이터: 속도 제한은 초당 1300mm
전류 루프: 사용자가 약간의 조정으로 최대 속도를 선택
속도 루프: 사용자는 빠른 정지 램프를 초당 13000mm/s²으로 설정. 필터 구성에서 사용자는 기본 2극 200Hz 설정을 1극 800Hz로 이동하여 속도 루프를 최대화. 비례 및 적분 이득은 각각 15000 Vp 및 5000 Vi로 설정.
위치 루프: 위치 루프는 5000Pp로 설정되고 피드 포워드는 10000Vff. 추적 창은 3ms에서 50카운트로 설정되어 6ms 안정 시간 내에 유지.
이로써 NT-55-V는 30mm의 리니어 운동을 하고, 궤적 한계는 초당 2000mm, 최대 가속도는 75000mm/s²로 설정되었다. 최대 저크는 20,000,000mm/s³이다.
• 거리: 60000 카운트
• 프로파일 속도: 초당 1300mm
• 버스 전압: 75V
전체 이동 시간은 125μs 샘플링 속도에서 약 44ms이며 가장 까다로운 고속 모션 시스템을 수용할 수 있는 뛰어난 이동 및 정착 시간이다.
<그림3> IKO NT-55-V-25/5L 2축(X 및 Y) 스테이지, 위치 루프 업데이트 속도가 250μs인 Accelnet Plus Panel 디지털 서보 드라이브, 80V 전원 공급 장치 및 직렬 USB로 구성된 데모 RS-232 어댑터.
정확하고 신뢰할 수 있는 모션
올바른 포지셔닝 테이블과 서보 드라이브 조합을 사용하면 정밀한 리니어 포지셔닝, 정확한 튜닝, 빠른 응답 및 안정화 시간을 달성할 수 있다. IKO의 광범위한 포지셔닝 테이블 애플리케이션과 Copley Controls 디지털서보 드라이브는 정밀도, 속도 및 소형 크기의 이상적인 조합을 제공하여 자동화 시스템에 대한 까다로운 요구 사항을 충족하는 안정적인 고속 모션을 제공한다.
자료제공: IKO(www.iko.com
