정확한 포지셔닝 시스템 구축을 위한 리니어 스테이지 선택 방법
설계 또는 어셈블리에 포지셔닝을 위한 메커니즘이 필요한 경우 선택할 수 있는 포지셔닝 스테이지는 애플리케이션에 따라 매우 다양하다. 많은 리니어 스테이지가 다양한 산업 기계에 적합하지만, 일부는 고속 응용 분야에 더 적합하고 다른 일부는 무거운 하중 이동을 위해 더 많은 추력을 제공하는데 적합하다. 또한 일부 설계는 나노 또는 마이크로 크기의 리니어 스테이지를 요구하는 반면, 다른 설계는 클린룸 내부와 같이 매우 엄격한 사항이 요구되고 제어된 설정에서 작동하기 위한 리니어 스테이지를 필요로 한다.
최고 성능의 리니어 스테이지에는 정밀 가공 기술과 전자 장치가 결합된다. 이 장치는 리니어 모션 롤링 가이드와 베드 및 슬라 이드 사이에 볼 나사 또는 모터를 통합하고 동일한 장치 내에 전기 제어 구성 요소를 포함하여 설계 크기를 줄이고 조립 프로세스를 단순화한다. 선택에 따라 해당 애플리케이션에서 오랫동안 수행할 리니어 스테이지를 구성할 수 있다. 이에 따라 이번 기사에서는 다양한 유형의 리니어 스테이지와 이들이 만족하는 일반적인 선택 기준에 대한 개요를 제시하고자 한다.
리니어 모터 드라이브 스테이지
리니어 모터 드라이브 스테이지는 베드와 슬라이드 스테이지 사이에 AC 리니어 모터가 통합되어 전자 및 반도체 제조에 사용되는 픽 앤 플레이스 및 조립 시스템과 같은 고속 기계에 적합하다. 이러한 리니어 스테이지는 높은 정확도와 빠른 응답을 제공하며 크기가 작다.
통합 모터는 이동 필드 코일과 두 개의 고정자 자석 사이에 있는 C형 요크로 구성된다. 이 배열은 자석에 의해 수직으로 가해지는 자기 플럭스와 전류에 의해 코일 주위에 생성되는 회전 플럭스가 코일을 수평 방향으로 강제 이동시키는 플레밍의 왼손 법칙을 따른다. 코일 전류는 자속 방향에 해당하는 방향으로 전환되어 빠 르고 정확한 동작을 제공하고 유지하는 지속적인 구동력을 생성한다. 통합 전자 장치는 리니어 인코더의 피드백을 사용하여 현재 레벨을 제어하여 정확한 이동 및 포지셔닝을 보장한다. 기계 설계 자가 리니어 모터 드라이브 스테이지에서 자주 찾는 몇 가지 공통 요구 사항은 다음과 같다.
• 안정성: 고급 서보 기술이 적용된 일부 리니어 모터 드라이브 스테이지는 10mm/sec에서 ±1.78%의 속도 안정성과 ±1µm 이하의 정적 안정성을 달성할 수 있다.
• 긴 스트로크: 일체형 가이드의 트랙레일에 따라 2700mm 이상의 긴 스트로크가 가능하다.
• 높은 추진력과 높은 하중: 리니어 모터 드라이브 스테이지의 움직 이는 필드 코일이 조밀하게 배열되면 결과적인 자속이 무거운 부하중을 위해 매우 높은 추진력을 생성할 수 있다.
• 콤팩트한 크기: 많은 리니어 모터 드라이브 스테이지가 콤팩트한 크기로 제공된다. 통합된 네오디뮴 자석은 작은 크기에서도 큰 추력과 고속 응답을 제공하는 데 도움이 된다. 이러한 리니어 스테이지 중 하나인 IKO International의 NT38V10 나노 리니어 스테이 지는 단면 높이 11mm, 폭 38mm 및 길이 62mm로 제공된다.
<그림1> 초소형 리니어 모터 드라이브 포지셔닝 스테이지(높이 11mm, 폭 38mm, 길이 62mm)
볼 스크류 드라이브 리니어 스테이지
볼 스크류로 구동되는 스테이지는 뛰어난 추력과 높은 강성을 제공하여 다양한 응용 분야에서 정확한 포지셔닝을 제공한다. 또한 작동이 효율적이며 속도가 높고 마찰력이 작다.
슬라이드 스테이지는 볼 스크류 드라이브 리니어 스테이지에 강성과 추진력을 제공한다. 슬라이드 스테이지 내에는 2열로 배열된 대구경 스틸 볼이 전동면과 4점 접촉하여 변동하거나 복잡한 하중에서도 높은 정확도를 유지할 수 있다. 강성을 높이기 위해 가해지는 하중과 모멘트에 따라 두 개의 슬라이드 스테이지를 트랙 레일에 장착할 수 있다.
볼 스크류 드라이브 리니어 스테이지에는 U자형 트랙 레일이 있어 모멘트 하중과 비틀림에 대해 높은 강성을 나타낸다. 이 트랙 레일은 엔지니어에게 더 큰 연성을 제공하기 위해 설계될 기계의 구조 빔으로 사용할 수 있다.
일부 U자형 리니어 스테이지는 디자인 크기를 추가하지 않고 베드에 센서를 장착하기 위한 고강도 재료와 특수 홈 덕분에 작은 크기에도 불구하고 여전히 높은 정밀도를 유지하는 경량, 로우 프로파일 모델로 제공된다.
볼 스크류 드라이브 리니어 스테이지는 다양한 스타일과 옵션 으로 제공되며, 특정 볼 스크류 리니어 스테이지에서 충족할 수있는 몇 가지 일반적인 요구 사항은 다음과 같다.
• 긴 스트로크: 스테이지 폭은 15~420mm이며 스트로크 길이는 최대 1350mm에 달한다.
• 높은 정확도와 강성: 주철과 같은 견고한 재료로 제작된 스테이지 베드는 높은 강성을 제공할 뿐만 아니라 뛰어난 진동 감쇠 기능을 제공한다. 안정성, 정확도 및 부하 용량을 추가하려면 스테 이지 베드에 병렬로 배열된 통합 리니어 가이드를 찾아야 한다.
• 콤팩트한 크기 및 마이크로 포지셔닝: 단면 높이가 낮고 폭이 좁은 소형 및 초소형 스테이지는 빠른 가감속과 우수한 크리프 방지 특성이 필요한 애플리케이션에 높은 정확도를 제공한다. 일부 초소형 스테이지는 외부 치수를 변경하지 않고 작은 리미트 센서를 수용할 수 있다.
• 특수 환경: IKO International을 포함한 많은 리니어 스테이지 제조업체는 세척 대상과 같은 열악한 환경을 위해 특별히 제작된 제품을 제공한다. 주요 구성 요소는 일반적으로 고강도 알루 미늄 합금과 스테인리스 스틸로 만들어진다. 특정 스테이지는 ISO Class 3(U.S. Fed. Std. 209E Class 1) 클린룸 요구 사항을 충족하도록 특별히 설계되었으며 먼지 분산을 방지하기 위한 덮개를 포함할 수 있다.
• 맞춤형 단위 및 추가 옵션: 정확도 요구 사항에 따라 설계자는 종종 특정 스테이지 길이, 모터 또는 볼 나사 유형 및 센서 장착 옵션을 지정하여 리니어 스테이지를 사용자 정의할 수 있다. 추가 사용자 지정 옵션에는 플랜지 및 브릿지 커버, 스테이지의 전체 길이를 줄이기 위한 모터 폴드백, 스테이지에 이물질이 유입되는 것을 방지하는 벨로우즈, 표면 처리 및 부식 방지를 위한 블랙 크롬과 같은 마감 처리 및 X-Y 스테이지 구성을 용이하게 하는 브래킷이 포함된다.
<그림2> 볼 스크류 드라이브 리니어 스테이지는 추가 강성을 위해 일반적으로 U자형 트랙 레일로 구성된다.
특화된 리니어 스테이지
애플리케이션이 기존의 리니어 스테이지에서 해결될 수 없는 문제를 제시하는 경우가 있다. 일부 기계는 특정 작동 각도에서 직선 운동을 회전 운동으로 변환해야 한다. 정렬 스테이지는 스테퍼 및 AC 서보 모터와 함께 작동할 수 있으며 교차 롤러 베어링을 통합 하여 정확한 각도 보정을 제공하고 다축 응용 분야를 위한 정밀 리니어 스테이지 슬라이드에 장착할 수 있다. U자형 리니어 스테이 지에 장착할 수 있는 정렬 모듈은 X, Y, X-Y, 중심기준 각도 보정을 위해 견고한 크로스 롤러 베어링과 리니어 가이드를 통합한다.
크로스 롤러 베어링과 리니어 가이드를 사용하는 또 다른 장치인 얼라인먼트 스테이지는 로우 프로파일 장치에서 뛰어난 분해 능으로 X-Y-θ 포지셔닝을 제공할 수 있으며 X-Y 또는 X-Y-θ 포지셔닝도 가능하다. 정밀한 위아래 포지셔닝을 위해 승강 스테이 지가 작업을 수행하고 리니어 인코더와 함께 사용하면 폐쇄 루프 제어 덕분에 높은 반복성과 정확도를 달성한다.
또 다른 유형의 리니어 스테이지는 스테퍼 모터로 구동되며 한쌍의 리니어 모션 롤러 가이드와 함께 타이밍 벨트를 슬라이드 스테이지의 공급 메커니즘에 병렬로 통합된다. 이러한 구성 요소는 고속 및 가속과 긴 스트로크 길이가 필요한 응용 분야에 안정적이고 신뢰할 수 있는 성능을 제공한다.
애플리케이션 요구 사항을 충족하는 리니어 스테이지
하중을 이동하여 포지셔닝을 할 때 선택한 메커니즘은 특정 애플 리케이션에 따른 특성을 제공하면서 정확하고 정밀하게 작동해야 한다. 높은 정밀도를 나타내고 장기간 유지 보수가 필요 없는 작동을 제공할 수 있는 모션 구성 요소를 제공한 이력이 있는 제조업체와 협력해야 하다. IKO International은 정밀 가공 기술과 전자 장치를 갖춘 다양한 리니어 스테이지 라인업을 제공하여 대부분의 애플리케이션을 만족시킨다.
자료제공: IKO(www.ikont.com)
