미니어처 리니어 가이드, 의료 분야 등에서 정밀한 모션 솔루션 구현

최신 실험실 자동화 장비는 계속 발전하고 있으며, 기술자와 의사가 신뢰할 수 있는 일관되고 정확한 생산성 처리량으로 기존의 노동 집약적이고 오류가 발생하기 쉬운 수동 프로세스를 대체하는 경우가 많다. 전용 기능을 갖춘 여러 대의 기계가 더 크고 더 많은 기능을 갖춘 자동화 실험실의 통합 모듈이 되고 있다.

사람의 개입 없이 올바른 공정 단계를 수행할 수 있도록 테스트 샘플을 여러 장비 사이 또는 대규모 통합 솔루션 내의 여러 위치로 운반해야 한다. 장거리 및 정밀하게 제어되는 환경에서 안정적인 모션이 필요하기 때문에 장비 설계자와 기계 제작자는 상당한 어려움을 겪는다. 부식 방지 기능이 추가된 미니어처 리니어 가이드는 이러한 새로운 과제를 해결하는 데 적합한 고유한 솔루션을 제공한다.

미니어처 리니어 가이드
 

<그림1> MinVee 어셈블리 플레이트

‘MinVee’ 미니어처 리니어 가이드는 선형 트랙을 따라 정밀한 움직임을 제공하도록 설계된 소형 리니어 가이드 베어링이다.

전체 어셈블리는 <그림1>처럼 휠 페이트 어셈블리(wheel pate assembly), 선형 트랙 및 트랙 지지대를 포함한 여러 구성 요소의 조합으로 구성된다. 추가 구동 요소는 포함되어 있지 않지만 간단한 톱니 벨트 시스템이 모션을 제공하는 데 자주 사용된다.

휠 플레이트 어셈블리는 6061-T6 알루미늄으로 정밀 가공되 었으며, 투명 아노다이징(Anodizing) 마감 처리되어 있다. 전체 크기는 폭 1.75"(44.45mm), 길이 2.00"(50.80mm)이며 90도 비표면을 특징으로 하는 4개의 가이드 휠 베어링과 2개의 트랙 윤활기 하우징이 장착되어 있다. (그림2)

<그림2> MinVee 휠 플레이트 어셈블리

가이드 휠은 AISI 303 스테인리스 스틸 나사산 스터드가 휠 베어링에 영구적으로 부착된 스터드 어셈블리로, AISI 440C 스테인 리스 스틸로 제작됐다. 4개의 스터드 가이드 휠 중 2개는 정밀한 기준 정렬을 제공하기 위해 조정할 수 없는 동심축 설계를 적용 했으며, 나머지 2개 휠은 위치 조정이 가능한 편심 오프셋 샤프트 설계로 선형 트랙에 맞도록 기계적인 방식으로 조정할 수 있다. 휠 플레이트의 상단 표면에는 다양한 기계 요소를 부착할 수 있는 표준화된 패턴의 나사 구멍이 있다.

선형 트랙은 ANSI 1045 탄소강을 냉간 압연하여 전체 치수가 0.516"(13.11mm) x 0.153"(3.89mm)인 이중 90도 비 모서리 모양으로 제작된다. 트랙의 전체 길이는 쉽게 사용자 정의할 수 있으며 대부분의 실험실 기계보다 훨씬 긴 경우가 많다. (그림3)

<그림3> 더블 90도 비 엣지 트랙(Double 90-Degree Vee Edge Track)

장착 구멍이 있는 경우와 없는 경우 모두 최대 36.5"(927.1mm) 까지 다양한 길이가 표준이지만, 최대 20선형 피트 길이 (6,096mm)까지 더 긴 일체형 길이도 사용할 수 있다. 탄소강 등급은 쉽게 부식되기 때문에 습기 및 거친 가공 화학물질에 노출되 기에는 적합하지 않지만, 내식성을 크게 향상시키는 마감 코팅 옵션을 사용할 수 있다.

트랙 지지대는 6063-T6 알루미늄으로 압출되고 투명 아노다 이즈로 마감됐다. 트랙을 위한 선형 장착 지지대로 설계되었으며 장착 표면에서 설치된 비 높이를 0.236"(6.0mm)로 높인다. (그림4, 그림5)

<그림4> 6063-T6 알루미늄 소재의 MinVee 트랙 지지대

<그림5> 트랙 서포트에 장착된 MinVee 트랙은 설치된 비높이를 높인다.

트랙 지지대에는 선형 트랙과 일치하는 관통 구멍 패턴이 있으며 T-슬롯 알루미늄 프레임 구조와 함께 사용할 경우 일반 패스 너가 T-너트와 같은 장착 패스너의 장착 표면으로 통과하도록 설계됐다. (그림6)

<그림6> T-슬롯 알루미늄 프레임 구조에 트랙 지지대가 장착된 MinVee 어셈블리

화학 물질 및 열악한 환경에 대한 노출
 

실험실 자동화, 의료 장비 및 제약 생산 분야에서 자동화가 계속 확대됨에 따라 고려해야 할 환경적 요인이 점점 더 까다로워지고 있다. 부식을 줄이거나 완전히 없애는 것은 장비 제조업체들이 공통적으로 추구하는 목표이다.

많은 기계가 매우 강한 화학물질과 산화제, 부식성 환경에 노출된 상태에서 작동해야 한다. 일부 공정에서는 또 다른 환경 문제로 동결 온도 또는 고온을 사용해야 한다.

<그림7> MinVee 휠 플레이트 어셈블리는 AISI 440C 스테인리스 스틸 또는 폴리머 오버몰딩 90도 비 가이드 휠이 있는 440C 스테인리스 스틸로 제공된다.
 

환경 변화에 대응하기 위해 MinVee 미니어처 리니어 가이드는 여러 버전으로 제공된다. (그림7) 높은 내식성이 요구되는 경부하 어플리케이션에는 일반적으로 AISI 440C 스테인리스 스틸로 제작된 단열 볼 베어링인 폴리머 가이드 휠이 장착된 MinVee 휠 플레 이트 어셈블리와 Stanyl TW 341 플라스틱으로 제작된 폴리머 오버몰딩 90도 비 휠 표면을 사용한다.

폴리머 휠 버전은 휠 플레이트 어셈블리당 작동 축 방향 하중 용량이 15lb-F(66.7N)이며 -4° F ~+248° F(-20°C ~ 120°C)와 같은 온도 범위에 노출될 수 있다.

높은 내식성이 요구되는 무거운 어플리케이션에서는 일반적으로 99.7lb-F(444N)의 높은 작동 축 방향 하중 용량을 제공하고 베어링이 Krytox GPL227 그리스로 윤활되므로 -22°F ~ +500° F(-30°C ~ 260°C)의 온도 범위에서 견딜 수 있는 AISI 440C 스테인리스 스틸 가이드 휠 베어링이 장착된 휠 플레이트 어셈블리를 사용한다.

앞서 언급했듯이 리니어 가이드 트랙은 AISI 1045 탄소강으로 만들어져 야외 환경에 방치하면 쉽게 부식되고 녹이 슬기 때문에 원상태로 사용하기에 적합하지 않다. 그러나 선형 트랙에 추가 마감 공정을 적용하면 내식성이 크게 향상된다.

무전해 (Electroless) 니켈 도금은 0.0001"/0.0003"(0.003/0.008mm) 범위의 균일한 비다공성 층으로 적용 가능하며 일반적인 표면 경도는 45-55 Rockwell C이다.

또 다른 적합한 옵션은 비슷한 두께로 적용되지만 70-75 Rockwell C의 높은 표면 경도를 제공하는 Thin Dense Chromium(TDC)이다. Armoloy TDC는 탄소강 리니어 트랙 마감에 자주 사용되는 TDC의 한 유형이다. 다른 많은 코팅과 마감이 가능하며 적합성 테스트를 거쳐 지정할 수 있다.

중요한 요소, 윤활
 

90도 주행 표면을 가진 가이드 휠 베어링은 휠과 트랙 인터페이 스에 윤활유가 있으면 큰 이점을 얻을 수 있다. 접촉 패치의 기하 학적 모양은 순수한 롤링 동작을 제공하지 않으며 마찰이나 미끄 러짐이 정상적인 현상으로 발생할 수 있다. 윤활을 하지 않으면 특히 높은 하중에서 마모가 가속화된다.

<그림8> 추적 와이핑 펠트가 있는 MinVee 트랙 윤활기
 

리니어 가이드에 윤활유를 사용하면 얻을 수 있는 또 다른 이점은 윤활유가 수분 장벽 역할을 하여 부식을 줄인다는 점이다. MinVee 휠 플레이트 어셈블리에는 가벼운 합성 오일로 포화된한 쌍의 트랙 와이핑 윤활제 펠트가 장착되어 있다. (그림8)

이 윤활유는 금속 가공 기계, 포장 기계 및 일반 작업장 환경과 같은 다른 산업에서는 허용되지만 의료 기계 및 실험실 장비에는 사용할수 없는 경우가 많다. 윤활유 펠트는 특수 윤활제를 사용할 수 있도록 오일이 없는 건조한 상태로 공급할 수 있다. 식품 등급 그리 스, 진공 그리스, 클린룸 그리스 등 다양한 종류의 그리스를 트랙 표면에 도포할 수 있다. 그러나 각 특정 환경과 요구 사항에 따라 적합한 그리스를 선택해야 한다.

커버, 해치 및 도어
 

커버, 해치, 도어는 장비 내부에 접근할 수 있도록 하는 기계 요소 이다. 자동화된 기계는 테스트 샘플을 수락하고, 자재 또는 소모 품을 처리하고, 오류를 수정하고 유지보수를 수행하거나 기계 요소를 검사하기 위해 접근을 허용해야 하며, 기타 다양한 기능을 지원할 수 있다.

또한 커버는 기술자와 작업자를 보호하는 동시에 내부 작동 환경을 사양 내에서 제어할 수 있어야 한다. 단순한 힌지로 원하는 동작을 제공할 수 없는 경우 리니어 가이드가 이상적인 솔루션이다. 크고 무거운 요소를 여러 개의 휠 플레이트 어셈 블리에 장착하여 하중을 지탱하고 더 긴 트랙에서 굴러 모션을 안내할 수 있다.

샘플 처리
 

튜브, 바이알 또는 특수 용기에 담긴 테스트 샘플을 자동화된 실험실 장비에 투입하여 처리한다. 많은 경우 샘플은 공정 단계와 전체 기계 기능을 지원하기 위해 기계 내의 다양한 공정으로 이동 해야 한다. 단계에는 라벨 스캔, 특정 공정 단계로의 라우팅, 혼합 또는 교반과 같은 테스트 절차 수행이 포함될 수 있다. 일부 공정 에서는 처리를 위해 샘플을 다른 위치로 운반해야 하는 여러 대의 별도 장비가 필요하다. 미니어처 리니어 가이드로 이러한 모션 요구 사항 중 많은 부분을 충족할 수 있으므로 샘플의 처리 모션이 정확하고 안정적이다.

실험실 자동화에서의 가이드 모션
 

최신 실험실 자동화 장비가 지속적으로 발전하고 전통적으로 노동 집약적인 공정을 일관되고 정확한 생산 처리량으로 대체함에 따라 기계는 테스트 샘플 및 공정 단계의 자동 처리를 지원하는 기계 요소로 설계되어야 한다.

MinVee 미니어처 리니어 가이드는 선형 트랙을 따라 정밀한 움직임을 제공하도록 설계된 소형 리니어 가이드 베어링이다. 휠 플레이트 어셈블리, 선형 트랙 및 트랙 지지 구성 요소는 부식에 강한 다양한 기본 재료로 만들어진다.

선형 트랙에 추가 마감 코팅을 적용하여 내식성을 높이고 작업 환경에 적합하도록 할 수 있다. 90도 비 가이드 휠의 수명을 늘리기 위해서는 윤활이 필수적이며 여러 가지 특수 그리스 배합을 사용하는 것이 적합하다.

단순한 힌지 대신 가이드 모션을 사용하면 커버, 해치 및 도어에 모션을 제공하여 기계 내부에 더 쉽게 접근할 수 있다. 테스트 샘플은 다양한 공정 단계를 위해 기계 내에서 이동하는 경우가 많으며, 정확하고 안정적인 동작을 위해 소형 선형 가이드를 사용하여 안내할 수 있다.

자료제공: Bishop-Wisecarver(www.bwc.com)