리니어 샤프트 모터 설계시 고려사항

리니어 샤프트 모터의 설계를 통해 표준 볼 스크류 시스템을 리니어 샤프트 모터로 교체하고 더 높은 속도와 분해능을 달성할 수 있다. 그러나 시스템의 최고 성능을 달성하려면 전체 시스템 구조를 최적화해야 한다. 기존의 서보 시스템 관행과는 다른 다양한 설계 고려 사항이 있다. 다음은 리니어 샤프트 모터 시스템을 만드는 데 필요한 주요 구성과 시스템을 설계할 때 고려해야 할 요소이다.

리니어 샤프트 모터 선택
 

리니어 샤프트 모터는 움직이는 부하의 무게 중심과 기계의 작동 지점에 최대한 가깝게 장착해야 한다. 모터와 피드백이 멀리 떨어져 있는 경우 기계 구조와 리니어 가이드(베어링)는 구조의 동적 편향을 최소화하기 위해 충분한 기계적 강성을 가져야 한다. 환기를 위한 공간과 청소, 수리, 서비스 및 검사를 위한 접근을 허용해야 한다. 모터가 뜨거워질 수 있고 손상을 방지하기 위해 열을 발산해야 하므로 환기 구역이 막히지 않도록 한다.

샤프트 지지대 선택

선택한 리니어 샤프트 모터의 데이터 시트에 설명된 대로 샤프트 지지대를 선택한다. 샤프트 지지대는 리니어 샤프트 모터 시스템에서 샤프트를 과도하게 구부리지 않고 더 긴 스트 로크를 가능하게 한다.

샤프트 지지대는 샤프트의 질량을 지지할 수 있을 뿐만 아니라 지정된 지지 길이 동안 샤프트와 접촉해야 한다. 단일 샤프트 지지대가 더 나은 보안과 더 쉬운 정렬을 제공하지만 또 다른 옵션은 지정된 지지 길이에 대해두 개의 더 작은 샤프트 지지대를 간격을 두는 것이다. 아래 그림은 이 두 가지 옵션을 보여준다.

리니어 가이드(베어링) 선택
 

리니어 가이드(베어링)는 움직이는 하중을 지지하도록 선택 해야 한다. 종종 리니어 가이드는 시스템에서 유일한 이동 접점 유형 구성 요소다. 따라서 이 구성 요소는 특별한 주의가 필요하다. 바람직한 베어링 특성에는 높은 기계적 강성(고유 진동수 증가를 위한)과 낮은 마찰이 포함된다. 리니어 샤프트 모터는 높은 속도를 제공할 수 있기 때문에 베어링의 속도 및가속 제한을 고려해야 한다.

몇 가지 일반적인 베어링 선택이 아래 표에 비교되어 있다. 에어 베어링은 부드러움의 관점에서 가장 바람직하고 기계식 슬라이드 레일은 편의성 때문에 바람직하다.

리니어 인코더 선택
 

리니어 인코더는 리니어 샤프트 모터 시스템의 가장 중요한 부분 중 하나다. 리니어 인코더에서 처리된 신호는 시스템의 실제 위치를 정확하게 측정하는 데 사용된다. 포지셔닝 분해 능, 반복성 및 작동의 부드러움은 인코더의 분해능에 따라 다르다.

이러한 이유로 분해능이 1µm 이상인 인코더를 사용하 는 것이 좋다. 또한 인코더의 최대 응답 속도는 최대 시스템 속도를 제한할 수 있다. 필요한 분해능의 10배를 제공하는 리니어 인코더를 선택하는 것이 좋다. 광학 또는 자기 인코더를 사용할 수 있다.

마그네틱 리니어 인코더의 경우 마그네틱 샤프트가 인코더에 영향을 주지 않도록 주의하여 설치해야 한다. 드라이버가 선택한 인코더의 출력 모드를 지원하는지 확인한다. 리니어 인코더는 기계의 작동 지점에 최대한 가깝게 장착해야 한다.

모터와 피드백이 멀리 떨어져 있는 경우 기계 구조와 리니어 가이드(베어링)는 구조의 동적 편향을 최소화하기 위해 충분한 기계적 강성을 가져야 한다.

서보 증폭기 및 드라이버 선택
 

선택한 리니어 샤프트 모터의 전원 요구 사항을 충족할 수 있는 서보 드라이버를 선택한다. 모든 3상 브러시리스 DC 서보 모터 드라이버를 사용하여 리니어 샤프트 모터를 구동할 수 있다. 서보 드라이버 선정시 자기위치 검출방식을 확인해야 한다.\

리니어 샤프트 모터는 표준 구성에서 홀 효과 센서와 함께 제공되지 않으므로 선택한 서보 드라이버에서 요구하는 경우 옵션으로 추가해야 한다. 서보 드라이버가 홀 효과 센서를 사용할 필요가 없다면 리니어 샤프트 모터를 표준 구성으로 사용할 수 있다.

대부분의 서보 드라이버는 전압 및 전류 정격에 대해 피크 (DC) 단위를 사용하는 반면 대부분의 서보 모터(예: 리니어 샤프트 모터)는 RMS(AC) 단위를 사용한다. 서보 드라이버를 선택할 때 단위에 주의해야 한다.

리미트 스위치 등을 선택하고 리니어 샤프트 모터 시스템 조립

• 온도 센서: 온도 센서 OTL(Over Temperature Limit)은 과부하로 인해 너무 뜨거워지면 모터의 전원을 차단한다. 드라 이버의 주전원과 직렬로 추가할 수 있다. 리니어 샤프트 모터의 최대 코일 온도 한계는 135°C이다.

• 리미트 스위치: 부하가 오버슈팅이 되는 것을 방지하기 위해 샤프트의 부하 양쪽에 리미트 스위치를 추가할 수 있다.

• 케이블링 및 케이블 캐리어: 리니어 샤프트 모터는 일반적으로 고정 샤프트 및 이동 포서와 함께 작동한다(고정 포서 및이동 샤프트와 함께 작동할 수 있음). 이러한 배열을 사용하면 움직이는 케이블을 갖게 된다. 케이블을 운반할 준비가 기계에 제공되어야 한다. 리니어 샤프트 모터와 함께 커넥터가 제공되어 케이블이 이동할 위치에서 설계된 굽힘 반경에서 적절한 플렉스 수명을 위해 케이블을 연결할 수 있다.

홀 센서
 

홀 센서는 자기적으로 위치를 감지하고 이 정보를 서보 드라이버에 제공할 수 있는 장치이다. 일부 서보 드라이버는 정류를 위해 홀 센서 피드백이 필요하다. 홀 효과 센서는 정류를 위해 샤프트에 상대적인 위치 정보를 얻기 위해 일부 서보 드라이버에서 사용된다.

다른 서보 드라이버는 리니어 인코더에서 정류 정보를 얻을 수 있다. 서보 드라이버를 사용하는 대부 분의 수평 애플리케이션의 경우 디지털 홀 효과가 필요하지 않다. 정류는 튜닝 프로세스 중에 구축된 정류 테이블을 기반 으로 하며 리니어 인코더에서 파생된다. 대부분의 수직 애플 리케이션의 경우 디지털 홀 효과를 사용하는 것이 가장 좋다.

리니어 샤프트 모터는 표준 구성에서 홀 효과 센서와 함께 제공되지는 않는다. 선택한 서보 드라이버에서 필요한 경우 옵션으로 선택해야 한다. 홀 효과 센서의 크기 때문에 4mm 리니어 샤프트 모터에서는 사용할 수 없다.

8~20mm 모터에서 모터에 외부적으로 연결되어야 하는 센서를 포함하도록 프로젝 트의 크기를 확장해야 한다.

병렬 시스템의 리니어 샤프트 모터
 

병렬 드라이브 시스템은 2개 이상의 리니어 모터가 병렬로 있는 모든 애플리케이션이다. 병렬 적용에서 와이어는 반대쪽의 샤프트에서 연장되는 반면, 비병렬 적용에서는 배선에서 다른 모터 위치가 고려되지 않는다.

▲ 병렬 선형 샤프트 모터 설계

고정밀 단일 축 로봇 애플리케이션에서 진정한 정확한 포지 셔닝은 피드백이 작업 지점의 질량 중심에 직접 있을 때만 가능하다. 또한 작업 지점의 질량 중심에 있는 모터에서 직접 힘을 생성하기를 원한다. 

그러나 모터와 피드백을 정확히 같은 위치에 두는 것은 불가능하다. 인코더를 질량 중심에 배치하고 질량 중심에서 등간격으로 배치된 병렬 리니어 샤프트 모터를 사용하면 사실상 질량 중심에서 원하는 피드백과 힘 생성을 얻을 수 있다.

또한 고정밀 응용 분야에서 질량 중심에서 열원을 제거할 수 있다. 이 병렬 드라이브 기능을 제공하기 위해 두 세트의 인코더와 서보 드라이브가 필요한 다른 유형의 병렬 드라이브 시스템에서는 불가능하다.

▲ 병렬 시스템의 예

• 다중 모터, 하나의 인코더, 하나의 증폭기: 과거에는 시스템에 서로 전자적으로 연결된 두 개의 서로 다른 컨트롤러를 사용 하여 별도의 볼 나사를 구동하는 서로 다른 두 개의 모터가 있을 수 있었다. 이제 시스템 자체의 강성이 충분히 높은 한두 개의 샤프트 모터, 하나의 인코더 및 하나의 증폭기로 동일한 시스템을 구현할 수 있다.

• 함께 연결된 무제한 리니어 샤프트 모터: 이것은 또한 극도로 많은 양의 힘이 필요한 응용 분야에 유리하다. 여러 리니어샤프트 모터를 함께 연결하여 힘을 결합할 수 있다.

수평 적용

수평 적용에 사용되는 경우 리니어 샤프트 모터는 일반적으로 매우 간단하고 정밀한 리니어 이동을 달성하기 위해 포서에 부하를 부착한다. 리니어 샤프트 모터 시스템에서 샤프트는 양쪽 샤프트 지지대에서 지지되며 하중은 슬라이드 레일, 리니어 베어링 또는 에어 베어링을 따라 이동한다. 리니어 인코더 스케일이 가이드 레일에 부착되어 서보 제어를 위한 리니어 위치 피드백을 제공한다.

수직 적용

수직 응용 분야에서 사용할 때 리니어 샤프트 모터는 일반적 으로 전력 중단 시 부하가 떨어지는 것을 방지하기 위해 카운터 밸런스 메커니즘 또는 브레이크가 필요하다. 카운터 밸런 스는 또한 중력에 대한 부하를 지원하여 모터의 순부하를 줄일 수 있다. 일반적인 균형 기술에는 공압 실린더, 스프링 또는 균형추가 포함된다.

            ▲ 수평 적용에 사용되는 경우                                                           ▲ 수직 적용에 사용되는 경우

자료제공: NPM(www.nipponpulse.com)