기존 Stage-on-Granite와 IGM 시스템은 무엇이 다른가?
특정 애플리케이션에 가장 적합한 석정반(화강암) 기반 리니어 모션 플랫폼을 선택하는 것은 여러 가지 요소와 변수에 따라 달라진다. 모션 플랫폼 측면에서 효과적인 솔루션을 추구하기 위해서는 모든 애플리케이션마다 고유한 요구 사항을 이해하고 우선순위를 정해야 한다는 점을 인식하는 것이 중요하다.
보다 보편적인 솔루션 중 하나는 개별 위치 결정 스테이지를 석정반 구조 물에 장착하는 것이다. 또 다른 일반적인 솔루션은 모션 축을 구성하는 구성 요소를 석정반 자체에 직접 통합하는 것이다. 전통적인 방식인 ‘스테이지-온-그래나이트(Stage-on-Granite)’와 ‘통합 그래나이트 모션(Integrated Granite Motion, 이하 IGM)’ 플랫폼 중 하나를 선택하는 것은 선택 과정에서 가장 먼저 결정해야 할 사항 중 하나이다. 두 솔루션 유형 사이에는 분명한 차이가 있으며, 물론 각각의 장점과 주의 사항도 있으므로 신중하게 이해 하고 고려해야 하다.
이러한 의사 결정 과정에 대한 더 나은 통찰력을 제공하기 위해 Aerotech은 기계식 베어링 사례 연구를 통해 두 가지 기본 선형 모션 플랫폼 설계, 즉 기존 Stage-on-Granite 솔루션과 IGM 솔루션의 차이점을 기술 및 재무적 관점에서 평가한다.
Stage-on-Granite 설계의 경우, ‘Y/X-Z 스플릿 브리지’ 배열을 사용하는 많은 모션 애플리케이션에서 일반적으로 사용되는 더 큰 하중 전달 능력 때문에 Y축에 PRO560LM 와이드 바디 스테이지를 선택했다. X축에는 많은 애플리케이션에서 브리지 축으로 일반적으로 사용되는 PRO280LM을 선택했다. PRO280LM은 설치 공간과 고객 페이로드가 있는 Z축을 운반할 수 있는 능력 사이에서 실용적인 균형을 제공한다.
<그림 1> 모션 플랫폼과 축의 배열을 그림으로 표현한 것이다.
IGM 설계의 경우 위 축의 기본 디자인 컨셉트와 레이아웃을 거의 그대로 재현했지만, 가장 큰 차이점은 IGM 축은 석정반 구조물에 직접 제작되었기 때문에 Stage-on-Granite 디자인에 있는 기계 가공 부품 베이스가 없다는 점이다.
두 디자인 사례에서 공통적으로 사용된 것은 Z축으로, ‘PRO190SL’ 볼 스크류 구동 단계로 선택됐다. 이 축은 넉넉한 가반 하중 용량과 비교적 컴팩트한 폼 팩터로 인해 교량에서 수직 방향으로 사용하기에 매우 인기 있는 축이다. <그림2>는 연구된 특정 Stage-on-Granite 및 IGM 시스템을 보여준다.
<그림2> 이 사례 연구에 사용된 기계식 베어링 모션 플랫폼: (a) Stage-on-Granite 솔루션, (b) IGM 솔루션.
기술 비교
IGM 시스템은 기존의 Stage-on-Granite 설계 에서 볼 수 있는 것과 유사한 다양한 기술과 구성 요소를 사용하여 설계됐다. 따라서 IGM 시스템과 Stage-on-Granite 시스템 간에는 여러 가지 기술적 특성이 공통적으로 존재한다. 반대로, 모션 축을 석정반 구조에 직접 통합하면 IGM 시스템을 Stage-on-Granite 시스템과 구별하는 몇 가지 독특한 특징을 제공한다.
폼 팩터
가장 분명한 유사점은 아마도 기계의 기초인 석정반에서 시작될 것이다. Stage-on-Granite와 IGM 설계 간에는 특징과 공차에 차이가 있지만 석정반 베이스, 라이저 및 브리지의 전체 치수는 동일하다. 이는 Stage-onGranite와 IGM의 공칭 및 한계 이동거리가 동일하기 때문이다.
건설
IGM 설계는 가공된 부품 축 베이스가 없기 때문에 Stage-on-Granite 솔루 션에 비해 특정 이점이 있다. 특히 IGM의 구조 루프에서 구성 요소를 줄이면 전체 축 강성을 높이는 데 도움이 된다. 또한 석정반 베이스와 캐리지 상단 표면 사이의 거리를 더 짧게 만들 수 있다. 이 특정 사례 연구에서 IGM 설계는 작업 표면 높이가 33% 더 낮다(120mm에 비해 80mm). 작업 높이가 작아지면 더 컴팩트한 설계가 가능할 뿐만 아니라 모터와 인코더에서 공작물까지의 기계 오프셋이 줄어들어 아베(Abbe) 오차가 감소하고 공작물 위치 결정 성능이 향상된다.
축 구성 요소
설계를 자세히 살펴보면 Stage-on-Granite와 IGM 솔루션은 선형 모터 및위치 인코더와 같은 몇 가지 주요 구성 요소를 공유한다. 공통의 포서 및 자석 트랙을 선택하면 동등한 힘 출력 기능을 얻을 수 있다. 또한 두 설계에 동일한 엔코더를 사용하면 위치 피드백에 대해 동일하게 미세한 분해능을 제 공한다. 따라서 선형 정확도 및 반복성 성능은 Stage-on-Granite 솔루션과 IGM 솔루션 간에큰 차이가 없다. 베어링 분리 및 공차를 포함한 유사한 구성 요소 레이아웃은 기하학적 오차 모션(예: 수평 및 수직 직진도, 피치, 롤, 요) 측면에서 비슷한 성능을 제공한다. 마지막으로 케이블 관리, 전기적 제한 및 하드스톱을 포함한 두 설계의 지원 요소는 물리적 외관이 다소 다를 수있지만 기능면에서 근본적으로 동일하다.
베어링
이 특정 설계에서 가장 눈에 띄는 차이점 중 하나는 선형 가이드 베어링의 선택이다. 재순환볼 베어링은 Stage-on-Granite와 IGM 시스템 모두에 사용되지만, IGM 시스템을 사용하면 축작업 높이를 높이지 않고도 더 크고 단단한 베어링을 설계에 통합할 수 있다. IGM 설계는 별도의 기계 가공 부품 베이스가 아닌 석정반을 베이스로 사용하기 때문에 기계 가공 베이스가 차지할 수 있는 수직 공간의 일부를 회수할 수있으며, 석정반 위의 전체 캐리지 높이를 줄이 면서 더 큰 베어링으로 이 공간을 채울 수 있다.
강성
IGM 설계에서 더 큰 베어링을 사용하면 각 강성에 큰 영향을 미친다. 와이드바디 하부 축 (Y축)의 경우, IGM 솔루션은 해당 Stage-onGranite 설계보다 롤 강성이 40% 이상, 피치 강성이 30% 이상, 요 강성이 20% 이상 향상 된다. 마찬가지로 IGM의 교량은 Stage-onGranite에 비해 롤 강성은 4배, 피치 강성은 2 배, 요 강성은 30% 이상 향상된다. 각도 강성이 높을수록 동적 성능 향상에 직접적으로 기여하여 기계 처리량을 높이는데 핵심적인 역할을 하기 때문에 유리하다.
부하 용량
IGM 솔루션의 베어링이 더 크기 때문에 Stage-on-Granite 솔루션보다 훨씬 더 높은 하중 용량을 지원한다. Stage-onGranite 솔루션의 PRO560LM 기본 축의 하중 용량은 150kg 이지만, 이에 상응하는 IGM 솔루션은 300kg의 하중을 수용할 수 있다. 마찬가지로 Stage-on-Granite의 PRO280LM 브리지 축은 150kg을 지원하는 반면, IGM 솔루션의 브리지 축은 최대 200kg까지 운반할 수 있다.
이동 질량
기계식 베어링 IGM 축의 더 큰 베어링은 더 나은 각도 성능 특성과 더 큰 하중 전달 능력을 제공하지만, 더 크고 무거운 트럭과 함께 제공된다는 단점도 있다. 또한 IGM 캐리지는 부품 강성을 높이고 제조를 단순화하기 위해 Stage-on-Granite 축에는 필요하지만 IGM 축에는 필요하지 않은 특정 기계 가공 기능을 제거하도록 설계됐다. 이러한 요소는 IGM 축이 해당 Stage-on-Granite 축보다 이동 질량이 더 크다는 것을 의미 한다. 확실한 단점은 모터 힘의 출력이 변하지 않는다고 가정할 때 IGM의 최대 가속도가 더 낮다는 것이다. 그러나 특정 상황에서는 더 큰 관성으로 인해 교란에 대한 저항력이 커져 위치 안정성이 향상될 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
구조 동역학
IGM 시스템의 더 높은 베어링 강성과 더 단단한 캐리지는 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어 패키지를 사용하여 모달 분석을 수행한 후 분명하게 드러나는 추가적인 이점을 제공한다. 이 연구에서는 서보 대역폭에 미치는 영향 때문에 움직이는 캐리지의 첫 번째 공진을 조사했다. PRO560LM 캐리지에서는 400Hz에서 공진이 발생하는 반면, 해당 IGM 캐리지에서는 430Hz에서 동일한 모드가 발생했다. <그림3>은 이 결과를 보여준다. 기존의 Stage-on-Granite에 비해 IGM 솔루션의 공진율이 높은 것은 부분적으로 더 단단한 캐리지와 베어링 설계에 기인한다. 캐리지 공진이 높을수록 서보 대역폭이 넓어져 동적 성능이 향상된다.
<그림3> 기계식 베어링 시스템의 기본 축에 대한 첫 번째 진동 전달 모드를 보여주는 FEA 출력: (a) 400Hz에서 Stage-on-Granite Y축, (b) 430Hz에서 IGM Y축.
운영 환경
사용자의 공정을 통해 생성되거나 기계 환경에 존재하는 오염 물질이 존재하는 경우 축 밀봉은 거의 항상 필수이다. Stage-on-Granite 솔루션은 축의 본질적인 밀폐 특성으로 인해 이러한 상황에 특히 적합하다. 예를 들어 PRO 시리즈 선형 스테이지에는 하드커버와 측면 씰이 장착되어 있어 내부 스테이지 구성 요소를 오염으로부터 어느 정도 보호할 수 있다. 이러한 스테이지에는 스테이지가 이동할 때 상단 하드커 버에서 이물질을 쓸어 내릴 수 있는 테이블탑 와이퍼(옵션)를 구성할 수도 있다.
반면에 IGM 모션 플랫폼은 본질적으로 베어링, 모터, 인코 더가 노출되어 있는 개방형 구조이다. 청결한 환경에서는 문제가 되지 않지만 오염이 있는 경우 문제가 될 수 있다. 이물 질로부터 보호하기 위해 특수 벨로우즈 스타일의 웨이 커버를 IGM 축 설계에 통합하여 이 문제를 해결할 수 있다. 그러나 올바르게 구현하지 않으면 벨로우즈가 전체 이동 범위를 이동할 때 캐리지에 외부 힘을 가하여 축의 움직임에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
유지 관리
서비스 가능성은 Stage-on-Granite와 IGM 모션 플랫폼의 차별화 요소이다. 리니어 모터 축은 견고하기로 잘 알려져 있지만 때때로 유지보수를 수행해야 하는 경우가 있다. 일부 유지보수 작업은 비교적 간단하여 해당 축을 제거하거나 분해하지 않고도 수행할 수 있지만, 보다 철저한 분해가 필요한 경우도 있다. 모션 플랫폼이 석정반에 장착된 개별 스테이지로 구성된 경우, 정비는 비교적 간단한 작업이다. 먼저 석정반에서 스테이지를 분리한 다음 필요한 유지보수 작업을 수행한후 다시 장착하면 된다. 또는 새 스테이지로 교체하면 된다.
IGM 솔루션은 유지보수를 수행할 때 때때로 더 까다로울수 있다. 이 경우 리니어 모터의 자석 트랙 하나를 교체하는 것은 매우 간단하지만, 더 복잡한 유지보수 및 수리는 축을 구성하는 구성품의 일부 또는 전부를 완전히 분해해야 하는 경우가 많으며, 구성품이 석정반에 직접 장착된 경우 시간이 더많이 소요된다. 또한 유지보수를 수행한 후 석정반 기반 축을 서로 정렬하는 작업도 더 까다로운데, 이 작업은 개별 스테이 지를 사용하면 훨씬 더 간단하다.
<표1>기계식 베어링 Stage-on-Granite와 IGM 솔루션의 근본적인 기술적 차이점을 요약한 표.
경제성 비교
모든 모션 시스템의 절대 비용은 이동 길이, 축 정밀도, 부하 용량, 동적 기능 등 여러 요인에 따라 달라지지만, 이 연구에서 수행한 아날로그 IGM과 Stage-on-Granite 모션 시스템 의 상대적 비교에 따르면 IGM 솔루션은 Stage-on-Granite 보다 약간 낮은 비용으로 중-고정밀 모션을 제공할 수 있는 것으로 나타났다. Aerotech의 경제 연구는 기계 부품(제조 부품과 구매 부품 모두 포함), 석정반 조립품, 인건비 및 간접비라는 세 가지 기본 비용 구성 요소로 이루어져 있다.
기계 부품
IGM 솔루션은 기계 부품 측면에서 Stage-on-Granite 솔루 션에 비해 현저한 절감 효과를 제공한다. 이는 주로 Stageon-Granite 솔루션에 복잡성과 비용을 추가하는 Y축과 X축의 복잡하게 가공된 스테이지 베이스가 IGM에는 없기 때문이 다. 또한 IGM 솔루션에서 다른 가공 부품(예: 무빙 캐리지)이 상대적으로 단순화되어 비용을 절감할 수 있는데, 이 부품은 IGM 시스템에서 사용하도록 설계할 때 더 단순한 기능과 다소 완화된 허용 오차를 가질 수 있다.
석정반 어셈블리
IGM 및 Stage-on-Granite 시스템의 석정반 베이스-라이저-브리지 어셈블리는 폼팩터와 외관이 비슷해 보이지만, IGM 석정반 어셈블리의 가격이 약간 더 비씨다. 이는 IGM 솔루션의 석정반이 Stage-on-Granite 솔루션의 가공된 스테이지 베이스를 대신하기 때문에 석정반은 일반적으로 중요한 영역 에서 더 엄격한 공차를 가져야 하며, 압출 절단 및/또는 나사 산형 강철 인서트와 같은 추가 기능도 필요하기 때문이다. 그러나 이 사례 연구에서는 석정반 구조의 복잡성 증가가 기계 부품의 단순화로 인해 상쇄됐다.
인건비 및 간접비
IGM과 테스트는 조립 및 테스트에 많은 유사점이 있기 때문에 Stage-on-Granite 시스템에서는 인건비와 간접비에서큰 차이가 없다. 이러한 비용 요소를 모두 합치면 이 연구에서 검토한 특정 기계식 베어링 IGM 솔루션은 기계식 베어링 Stage-on-Granite 솔루션보다 약 15% 저렴하다. 물론 경제성 분석 결과는 이동 길이, 정밀도, 하중 용량과 같은 속성뿐만 아니라 석정반 공급업체 선정과 같은 요소에 따라 달라진다. 또한 석정반 구조물 조달과 관련된 운송 및 물류 비용도 고려하는 것이 현명하다. 초대형 석정반 시스템의 경우 특히 유용하지만, 모든 규모에 해당되지만 최종 시스템 조립 장소와 가까운 곳에 있는 자격을 갖춘 석정반 공급업체를 선택하는 것도 비용을 최소화하는 데 도움이 될 수 있다.
또한 이 분석은 구현 후 비용은 고려하지 않았다는 점에 유의 해야 하다. 예를 들어, 모션 축을 수리하거나 교체하여 모션 시스템을 서비스해야 한다고 가정해 보겠다. Stage-on-Granite 시스템은 해당 축을 제거하고 수리/교체하는 것만으로 서비스를 제공할 수 있다. 보다 모듈화된 스테이지 스타일의 디자인 덕분에 초기 시스템 비용이 더 많이 들지만 비교적 쉽고 빠르게 구축할 수 있다. IGM 시스템은 일반적으로 Stage-on-Granite 보다 저렴한 비용으로 구입할 수 있지만, 통합된 구조의 특성으로 인해 분해 및 서비스가 더 어려울 수 있다.
결론
Stage-on-Granite와 IGM 등 모션 플랫폼 설계의 각 유형은 분명 뚜렷한 이점을 제공할 수 있다. 그러나 특정 모션 애플리 케이션에 어떤 것이 가장 이상적인 선택인지 항상 명확하지는 않다. 따라서 Aerotech와 같이 까다로운 모션 제어 및 자동화 애플리케이션에 대한 솔루션 대안을 모색하고 귀중한 통찰력을 제공하기 위해 애플리케이션 중심의 컨설팅 접근 방식을 제공하는 숙련된 모션 및 자동화 시스템 공급업체와 협력하는 것이 매우 유용하다. 이 두 가지 자동화 솔루션의 차이점뿐만 아니라 해결해야 하는 문제의 근본적인 측면을 이해하는 것이 프로젝트의 기술적 목표와 재정적 목표를 모두 충족하는 모션 시스템을 선택하는 데 있어 성공의 근본적인 열쇠이다.
자료제공: Aerotech(www.aerotech.com)의 제품 관리자 Brian Fink
