무빙 모터, 장거리 이동이 가능한 다양한 응용분야에서 혁신적 솔루션 제공
대부분의 산업 분야에서는 대형 제조 라인을 갖춘 공장을 운영하기 때문에 장거리 이동 모션 축과 이송 로봇이 필요하다. 이러한 갠트리 및 직교 로봇 중 일부는 항공우주, 자동차, 조립식 건설 및기타 대규모 공장 주변에서 자재와 부품을 이송할 때 50m 이상의 거리를 안정적으로 이동할 수 있다.
장거리 이동 선형 로봇의 일반적인 설계 방식은 벨트 구동 선형 축으로 로봇을 구성하는 것인데, 이는 겉보기에는 장거리 이동에 적합해 보인다. 하지만 모든 벨트 드라이브가 똑같이 만들어지는 것은 아니다.
모터가 고정된 상태로 피니언을 통해 벨트를 구동하는 기존의 벨트 구동 방식은 벨트 처짐과 벨트 길이에 따른 강성 변화로 인해 모션 시스템의 성능이 제한될 수 있으며, 이 두 가지 문제는 이동 거리가 15미터를 초과할수록 더욱 두드러지게 나타난다.
다른 접근 방식은 모터가 벨트 드라이브의 캐리지에 장착되어 함께 움직이는 고급 벨트 드라이브를 사용하는 것이다. 서보벨트 리니어(SBL) 드라이브는 이러한 방식으로 작동하며, 기존의 단일 벨트 드라이브와는 매우 다른 방식으로 작동한다.
이 무빙 모터 설계에는 여러 가지 성능 이점이 있으며, 이러한 이점은 이동 거리가 길어질수록 더욱 커진다. 이 기사에서는 기존 벨트 드라이브와 관 련된 몇 가지 단점을 살펴보고 무빙 모터 설계로 장거리 이동 모션 제어 시스템의 성능을 개선할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
벨트 드라이브의 문제점
기존의 벨트 드라이브 액추에이터 또는 스테이지를 긴 길이로 확장 하면 명백한 문제가 발생한다. 벨트가 지지되지 않아 벨트의 양쪽 끝이 팽팽하게 유지되는 동안 벨트의 중간이 처지는 경우가 많아 페이로드가 이동할 때 벨트 내부에 비대칭적이고 가변적인 강성을 부여하기 때문이다. 페이로드가 벨트를 구동하는 정적 모터로부터 최대 또는 최소 거리에 있을 때 강성은 거의 대칭에 도달한다.
표준 벨트 드라이브는 강성이 가변적이기 때문에 회전 운동을 선형 운동으로 정확하게 변환하는 것은 상당한 도전 과제이다. 회전을 선형으로 정확하게 변환하지 않으면 정확한 제어 및 위치 지정이 어렵다. 벨트 구동 액추에이터에 고성능 제어 모델을 구현하 려는 엔지니어는 벨트의 강성이 가장 낮은 방향으로 제어 루프 튜닝을 수행하고 추가 디튜닝을 수행하거나 복잡한 이득 스케줄링 체계를 호출해야 한다.
정밀하고 정확한 리니어 모션 시스템을 구현하려면 이러한 제어 및 포지셔닝 장애물을 극복해야 하지만, 필요한 제어 모델을 개발하는 데 드는 시간, 비용, 노력을 감당할 수 없는 경우가 많다. 따라서 벨트 드라이브는 일반적으로 단순한 자재 취급 작업으로 전락한다.
무빙 모터의 장점
기존의 정적 모터 접근 방식에서 일반적으로 추구하는 이점은 축의 이동 질량을 페이로드로만 제한하는 것이다. 이는 길이가 짧고 가벼운 애플리케이션에서 비용 효율적인 솔루션이 될 수 있다. 정적 모터를 사용하여 선형 축을 구동하는 것은 덜 까다로운 애플리케이션에 적합한 설계이지만, 이동 길이가 임계 길이인 15미터 이상을 초과하면 성능이 떨어진다. 이 길이 이상에서는 페이로드 무게 감소의 이점이 실제보다 더 많이 인식된다.
이러한 기존 설계는 백래시와 관성력에 취약하고 정밀한 포지셔닝이 어려울 뿐만 아니라 긴 길이로 제작할 경우 비용이 많이 든다.
적절하게 설계된 무빙 모터 드라이브는 페이로드에 무게를 추가하더라도 전체 이동 길이에 걸쳐 구동축 강성을 유지하는 등장거리 모션 축에 필수적인 이점을 제공한다. 또한 이 설계는 여러 대의 캐리지가 동일한 축에서 이동할 수 있을 뿐만 아니라 수직 및 수평 적용도 가능하다.
이러한 설계 유연성을 통해 무빙 모터는 동일한 축에서 여러 작업을 수행할 수 있어 처리량 측면에서큰 이점을 제공하며, 장거리 이동 모션 시스템의 판도를 바꾸고 있다. 정적 모터는 페이로드를 경량화하기 위해 구현되는 경우가 많지만, 길이가 긴 애플리케이션에서는 일반적으로 경량화 이점을 능가하는 긴 재순환 벨트를 특징으로 한다. 임계 길이인 15미터 이상에서는 드라이브 라인 벨트가 너무 무거워 오히려 성능을 저해한다.
반면에 무빙 모터는 더 가벼운 벨트를 사용한 설계를 가능하게 하여 전체 드라이브 및 액추에이션 시스템에서 질량을 제거함으 로써 액추에이터의 효율을 높인다. 선형 스테이지 하우징에 포함된 짧은 재순환 벨트로 페이로드에 무게를 더하는 것은 직관적이지 않은 것처럼 보일 수 있지만, 길고 무거운 벨트가 더 이상 구동계 구성품이 아니기 때문에 실제로는 효율성이 초기 기대치보다더 크게 향상된다.
드라이브 라인은 부드럽고 정확한 직선 운동을 위해 가능한 한강성이 높아야 한다. 모터의 자기장부터 페이로드 무게까지 다양한 시리즈 내 요소가 구동계 강성을 결정한다. 무빙 모터 설계는 벨트를 짧고 가볍고 단단하게 유지한다.
또한 벨트의 활성 부분이 모터에 인접하지 않고 모터 하우징 내에 포함되어 있기 때문에 페이로 드가 움직일 때 일정하고 대칭적인 드라이브라인 강성을 유지한다.
대칭형 드라이브라인 강성은 움직이는 모터의 위치 정확도를 향상시키고 제로 백래시 드라이브 라인을 특징으로 하는 리니어 모션 시스템 설계를 가능하게 한다. 제로 백래시 드라이브 라인을 사용하면 선형 인코더가 부하위치를 직접 판독할 수 있어 폐쇄형 서보 루프 작동 및 정현파 모터 정류와 같은 기타 관리 기능이 용이해진다.
토크 파급 효과 없이 제로 백래시 드라이브 라인을 구현하려면 드라이브 라인이 어느 정도의 순응도와 감쇠 특성을 보여야 한다. 댐핑된 드라이브 라인이 없으면 고주파 교란이 구조물의 나머지 부분으로 전달된다. 그러나 강성이 있으면서도 규정을 준수하는 소재로 설계된 벨트는 백래시를 거의 없애고 정밀한 동작을 전달할 수 있다.
서보벨트™ 리니어의 장점
단거리 및 장거리 선형 모션 애플리케이션 모두 기존 벨트 드라 이브 설계보다 성능이 뛰어난 혁신적인 선형 액추에이터 설계인 ServoBelt™ 리니어의 이점을 누릴 수 있다. 서보벨트 리니어 액추에이터는 완벽하게 맞물리는 두 개의 폴리우레탄 강철 강화 기어 톱니 세트를 사용한다는 점에서 기존의 단일 벨트 드라이브와 차별화된다.
이 액추에이터 디자인은 위상학적으로 랙 앤 피니언과 유사하 며, 시각적으로는 ‘오메가’ 벨트 드라이브와 비슷하다. 이 혁신적인 액추에이터 설계로 구동 벨트가 피니언 주위에 일정한 장력을 유지하여 벨트가 늘어나는 것을 최소화하고 전체 모션 이동 길이에 걸쳐 구동 라인 강성을 균일하게 유지할 수 있다. 정밀도와 정확성을 더욱 높인다.
서보벨트 리니어 액추에이터의 벨트 메시가 피니언의 양쪽에 미리 로드되어 있어 캐리지가 어느 방향으로든 움직일 때 백래시가 발생하지 않는다. 백래시가 없으므로 리니어 인코더를 사용할수 있어 리니어 모터만이 구현할 수 있는 성능을 구현할 수 있다.
이 액추에이터는 정밀도, 반복성, 비용 및 속도가 뛰어나며, 반도체 제조, 패키징, 항공우주 조립 및 기타 고성능, 고정밀 산업의 애플리케이션에 이상적이다.
표준 리니어 모션 솔루션의 장단점
선형 모션을 구현하기 위한 여러 가지 설계 전략이 있지만, 기존 설계를 고수하면 선형 모션 시스템의 성능이 제한될 수 있다. 기어 드라이브는 일반적으로 사용되지만 유형, 크기, 재질및 기타 속성에 관계없이 성능 저하를 초래하는 경우가 많다.
벨트 드라이브도 선형 모션 시스템에 사용할 수 있지만, 기존의 벨트 드라이브는 종종 강성 관련 문제에 직면한다. 장거리 이동 모션 시스템을 지정할 때는 기어와 벨트 모두의 장단점을 파악 하는 것이 중요하다.
• 기어 드라이브: 기어 구동식 시스템은 구동축 강성이 뛰어나 정확한 위치 결정이 가능하지만 페이로드를 움직이지 않고 기어를 돌릴 때 백래시 또는 유격이 발생한다. 백래시는 인코더의 직접적인 판독을 방해하기 때문에 양방향 반복 정밀도를 확보하는 데 어려움이 있다. 그러나 기어 톱니 사이의 간격을 제거하면 백래시를 제거할 수 있는 경우가 많다.
기어 톱니 사이에 공간이 부족하고 컴플라이언스가 거의 또는 전혀 없으면 금속 기어가 뚜렷한 토크 파급 효과를 발생시켜 다른 인라인 구성 요소에 기계적 스트레스를 가하게 된다. 거의 모든 최신 제조 기어는 회전 운동을 선형 운동으로 최대한 부드럽게 변환하면서 백래시를 제거하기 위해 인벌루트 톱니 프로파일로 설계된다. 하지만 100% 부드러움을 구현하는 기어는 없다. 토크 파급 효과는 기어에 본질적으로 존재하며, 이는 기어 드라 이브의 소음, 비효율성, 마모의 원인이 된다.
• 트랙션 드라이브: 캡스턴 드라이브라고도 하는 트랙션 드라이 브는 토크 파급 효과를 최소화하여 부드러움과 효율성을 극대 화한다. 그러나 이러한 성능 개선은 개별 치아의 깊이와 강도가 감소하고 힘의 용량이 감소하는 대가를 치뤄야만 달성할수 있다. 트랙션 드라이브는 토크 파급 효과를 실질적으로 제거할 수 있지만, 회전 메커니즘의 중심축에 대한 반경 방향 오차, 즉 드라이브 롤러 및 베어링 런아웃과 같은 자체적인 문제도 발생한다.
레일에서 트랙션을 유지하는 데에도 특별한 주의가 필요하다. 움직임을 유도할 만큼 충분한 힘을 가하되 미끄러짐을 유발할 정도는 아니어야 한다. 트랙션 드라이브는 백래시를 줄이고 효율성을 개선하지만, 힘 감쇠와 경제적인 페이로드 용량이 부족하다. 이러한 성능 문제에 대한 한 가지 해결책은 엘라스토머와 같은 부드러운 소재로 트랙션 드라이 브를 설계하는 것이다. 하지만 엘라스토머 트랙션 드라이브가 장시간 정지해 있으면 휠 표면에 평평한 부분이 형성되어 모 션과 포지셔닝에 부정적인 영향을 미친다.
• 랙 및 피니언(Pinion) 드라이브: 랙 앤 피니언 드라이브는 직교 갠트리 설계에 일반적으로 사용되지만, 긴 길이로 제작하거나 조립할 경우 비용이 급격히 상승한다. 또한 랙 앤 피니언 드라 이브는 기존 기어로 설계되었기 때문에 백래시 문제가 발생하기 쉽다. 스프링 기반 안티 백래시가 있는 랙과 피니언을 설계 하면 페이로드의 양쪽에 비대칭 강성이 생긴다.
자료제공: Bell-Everman(www.bell-everman.com)
