화강암 상판 무대 시스템과 화강암 통합형 모션 시스템의 차이점

특정 용도에 가장 적합한 화강암 기반 선형 모션 플랫폼을 선택하는 것은 다양한 요소와 변수에 따라 달라집니다. 모든 용도에는 고유한 요구 사항이 있으며, 효과적인 모션 플랫폼 솔루션을 추구하기 위해서는 이러한 요구 사항을 이해하고 우선순위를 정하는 것이 중요합니다.

가장 널리 사용되는 해결책 중 하나는 화강암 구조물에 개별 위치 조정 스테이지를 장착하는 것입니다. 또 다른 일반적인 해결책은 동작 축을 구성하는 요소들을 화강암 자체에 직접 통합하는 것입니다. 화강암 스테이지 방식과 통합형 화강암 모션(IGM) 플랫폼 중 어떤 것을 선택할지는 선정 과정에서 가장 먼저 결정해야 할 사항 중 하나입니다. 두 가지 솔루션 유형 간에는 분명한 차이점이 있으며, 각각의 장점과 주의 사항이 있으므로 이를 신중하게 이해하고 고려해야 합니다.

이러한 의사 결정 과정을 더 잘 이해할 수 있도록, 본 연구에서는 기계식 베어링 사례 연구를 통해 두 가지 기본적인 선형 운동 플랫폼 설계 방식, 즉 기존의 화강암 기반 무대 방식과 IGM(화강암 기반 구조물) 방식의 차이점을 기술적 및 재정적 관점에서 평가합니다.

배경

IGM 시스템과 기존 화강암 조적 시스템 간의 유사점과 차이점을 알아보기 위해 두 가지 테스트 케이스 설계를 만들었습니다.

• 기계식 베어링, 화강암 받침대
• 기계식 베어링, IGM

두 경우 모두 각 시스템은 세 개의 운동축으로 구성됩니다. Y축은 1000mm의 이동 범위를 제공하며 화강암 구조물의 바닥에 위치합니다. 조립체의 브리지에 위치한 X축은 400mm의 이동 범위를 가지며, 100mm의 이동 범위를 가진 수직 Z축을 지지합니다. 이러한 구조는 그림으로 표현됩니다.

화강암 지지대 설치 설계에서 Y축 스테이지로는 PRO560LM 광폭형 스테이지를 선택했습니다. 이는 "Y/XZ 분할 브리지" 구조를 사용하는 많은 모션 애플리케이션에 적합한 더 큰 하중 지지 용량을 제공하기 때문입니다. X축 스테이지로는 PRO280LM을 선택했는데, 이는 다양한 애플리케이션에서 브리지 축으로 널리 사용됩니다. PRO280LM은 설치 공간과 고객 탑재물을 실은 Z축을 지지할 수 있는 능력 사이에서 실용적인 균형을 제공합니다.

IGM 설계의 경우, 위 축들의 기본적인 설계 개념과 레이아웃을 거의 그대로 재현했으며, 주요 차이점은 IGM 축들이 화강암 구조물에 직접 내장되어 있어 화강암 무대 설계에 있는 가공 부품 베이스가 없다는 점입니다.

두 설계 모두 Z축에는 PRO190SL 볼스크류 구동 스테이지가 공통적으로 사용되었습니다. 이 축은 풍부한 하중 지지력과 비교적 컴팩트한 크기 덕분에 교량의 수직 방향에 사용하기에 매우 적합합니다.

그림 2는 연구 대상이 된 화강암상 및 IGM 시스템의 특정 단계를 보여줍니다.

기술 비교

IGM 시스템은 기존의 화강암 지지대 설치 방식과 유사한 다양한 기술과 구성 요소를 사용하여 설계되었습니다. 따라서 IGM 시스템과 화강암 지지대 설치 시스템은 여러 기술적 특성을 공유합니다. 그러나 운동축을 화강암 구조물에 직접 통합하는 방식은 IGM 시스템을 화강암 지지대 설치 시스템과 구별하는 몇 가지 특징을 제공합니다.

폼 팩터

아마도 가장 명확한 유사점은 기계의 기반인 화강암에서 시작될 것입니다. 화강암 기반 스테이지 방식과 IGM 방식 사이에는 특징과 허용 오차에 차이가 있지만, 화강암 받침대, 라이저 및 브리지의 전체 치수는 동일합니다. 이는 화강암 기반 스테이지 방식과 IGM 방식의 공칭 이동 거리와 한계 이동 거리가 같기 때문입니다.

건설

IGM 설계는 가공 부품으로 구성된 축 베이스가 없기 때문에 화강암 받침대를 사용하는 기존 방식보다 여러 가지 이점을 제공합니다. 특히, IGM 구조 루프의 부품 수를 줄임으로써 전체 축 강성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 화강암 받침대와 캐리지 상판 사이의 거리를 단축할 수 있습니다. 본 사례 연구에서 IGM 설계는 작업면 높이를 33% 낮춘 결과(120mm 대비 80mm)를 얻었습니다. 작업면 높이가 낮아짐에 따라 더욱 컴팩트한 설계가 가능해질 뿐만 아니라, 모터와 엔코더에서 작업점까지의 기계 오프셋이 감소하여 아베 오차가 줄어들고 결과적으로 작업점 위치 결정 성능이 향상됩니다.

축 구성 요소

설계를 더 자세히 살펴보면, 화강암 상판 방식과 IGM(강화 금속 가공) 방식은 선형 모터와 위치 엔코더와 같은 핵심 구성 요소를 공유합니다. 공통된 포서와 마그넷 트랙 선택을 통해 동일한 힘 출력 성능을 제공합니다. 마찬가지로, 두 설계 모두 동일한 엔코더를 사용하므로 위치 피드백에 대해 동일하게 정밀한 해상도를 제공합니다. 결과적으로, 선형 정확도와 반복성 성능은 화강암 상판 방식과 IGM 방식 간에 큰 차이가 없습니다. 베어링 간격 및 공차를 포함한 유사한 구성 요소 배치로 인해 기하학적 오차 운동(즉, 수평 및 수직 직진도, 피치, 롤 및 요) 측면에서도 유사한 성능을 보입니다. 마지막으로, 케이블 관리, 전기적 제한 장치 및 하드스톱을 포함한 두 설계의 지원 요소는 외형적으로 다소 차이가 있을 수 있지만 기능적으로는 기본적으로 동일합니다.

문장

이 특정 설계에서 가장 주목할 만한 차이점 중 하나는 선형 가이드 베어링의 선택입니다. 순환 볼 베어링은 화강암 지지대 시스템과 IGM 시스템 모두에 사용되지만, IGM 시스템은 축 작동 높이를 늘리지 않고도 더 크고 견고한 베어링을 설계에 통합할 수 있도록 합니다. IGM 설계는 별도의 가공 부품 베이스가 아닌 화강암 자체를 베이스로 사용하기 때문에, 가공 베이스에 소요되는 수직 공간을 확보하여 더 큰 베어링을 배치하면서도 화강암 표면 위 캐리지의 전체 높이를 줄일 수 있습니다.

단단함

IGM 설계에서 더 큰 베어링을 사용함으로써 각도 강성이 크게 향상되었습니다. 특히 광폭 하부 축(Y축)의 경우, IGM 솔루션은 화강암 지지대 구조의 해당 설계 대비 롤 강성은 40% 이상, 피치 강성은 30% 이상, 요 강성은 20% 이상 향상되었습니다. 마찬가지로, IGM의 브리지는 화강암 지지대 구조의 브리지 대비 롤 강성은 4배, 피치 강성은 2배, 요 강성은 30% 이상 증가했습니다. 각도 강성이 높을수록 동적 성능이 향상되어 기계 생산량 증대에 크게 기여하므로 매우 유리합니다.

적재 용량

IGM 솔루션은 더 큰 베어링을 사용하여 화강암 지지대 솔루션보다 훨씬 더 높은 탑재 하중을 견딜 수 있습니다. 화강암 지지대 솔루션의 PRO560LM 베이스 축은 150kg의 하중을 견딜 수 있지만, 해당 IGM 솔루션은 300kg의 탑재 하중을 수용할 수 있습니다. 마찬가지로, 화강암 지지대 솔루션의 PRO280LM 브리지 축은 150kg을 지지하는 반면, IGM 솔루션의 브리지 축은 최대 200kg까지 지탱할 수 있습니다.

움직이는 질량

기계식 베어링을 사용하는 IGM 축은 더 큰 베어링을 사용하여 더 나은 각도 성능과 더 큰 하중 지지력을 제공하지만, 더 크고 무거운 트럭을 필요로 합니다. 또한, IGM 캐리지는 화강암 지지대 축에 필요한 특정 가공 기능(IGM 축에는 필요하지 않음)을 제거하여 부품 강성을 높이고 제조를 단순화하도록 설계되었습니다. 이러한 요인들로 인해 IGM 축은 화강암 지지대 축에 비해 더 큰 이동 질량을 갖게 됩니다. 모터 출력량이 동일하다고 가정할 때, IGM의 최대 가속도가 더 낮다는 것은 부인할 수 없는 단점입니다. 그러나 특정 상황에서는 더 큰 이동 질량이 더 큰 관성을 제공하여 외부 충격에 대한 저항력을 높이고 위치 안정성을 향상시키는 데 유리할 수 있습니다.

구조 역학

IGM 시스템의 향상된 베어링 강성과 더욱 견고한 캐리지는 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어 패키지를 사용하여 모달 해석을 수행한 후 확인할 수 있는 추가적인 이점을 제공합니다. 본 연구에서는 서보 대역폭에 미치는 영향을 고려하여 이동 캐리지의 첫 번째 공진 현상을 조사했습니다. PRO560LM 캐리지는 400Hz에서 공진하는 반면, 해당 IGM 캐리지는 430Hz에서 동일한 모드의 공진을 경험합니다. 그림 3은 이러한 결과를 보여줍니다.

기존의 화강암 지지대 방식과 비교했을 때 IGM 솔루션의 높은 공진 주파수는 부분적으로 더 견고한 캐리지 및 베어링 설계 덕분입니다. 캐리지 공진 주파수가 높을수록 서보 대역폭이 넓어져 동적 성능이 향상됩니다.

운영 환경

오염 물질이 존재하는 경우, 축의 밀폐성은 거의 필수적입니다. 이러한 오염 물질은 사용자의 공정에서 발생하거나 기계 환경에 이미 존재할 수 있습니다. 화강암 상판을 사용하는 스테이지 솔루션은 축의 구조적 특성상 밀폐되어 있기 때문에 이러한 상황에 특히 적합합니다. 예를 들어, PRO 시리즈 리니어 스테이지는 하드커버와 측면 씰을 장착하여 스테이지 내부 부품을 오염으로부터 상당 부분 보호합니다. 또한, 스테이지 이동 시 상단 하드커버에 묻은 이물질을 제거하는 옵션 사양의 테이블탑 와이퍼를 추가할 수 있습니다. 반면, IGM 모션 플랫폼은 베어링, 모터, 엔코더 등이 노출된 개방형 구조입니다. 오염이 없는 깨끗한 환경에서는 문제가 되지 않지만, 오염이 발생할 경우 문제가 될 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 IGM 축 설계에 특수 벨로우즈형 웨이커버를 적용하여 이물질 유입을 차단할 수 있습니다. 하지만 제대로 구현되지 않으면 벨로우즈는 캐리지가 전체 이동 범위를 움직이는 동안 외부 힘을 가하여 축의 움직임에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

유지

스테이지 온 화강암 방식과 IGM 모션 플랫폼의 차이점은 유지보수 용이성입니다. 선형 모터 축은 견고성으로 잘 알려져 있지만, 때때로 유지보수가 필요할 수 있습니다. 일부 유지보수 작업은 비교적 간단하여 해당 축을 분리하거나 분해하지 않고도 수행할 수 있지만, 경우에 따라서는 보다 철저한 분해가 필요할 수 있습니다. 모션 플랫폼이 화강암 위에 장착된 개별 스테이지로 구성된 경우, 유지보수는 비교적 간단합니다. 먼저 화강암에서 스테이지를 분리한 다음 필요한 유지보수 작업을 수행하고 다시 장착하면 됩니다. 또는 단순히 새 스테이지로 교체할 수도 있습니다.

IGM 솔루션은 유지보수 시 어려움이 따를 수 있습니다. 선형 모터의 자석 트랙 하나를 교체하는 것은 매우 간단하지만, 더 복잡한 유지보수 및 수리에는 축을 구성하는 많은 또는 모든 구성 요소를 완전히 분해해야 하는 경우가 많으며, 구성 요소가 화강암에 직접 장착된 경우 시간이 더 많이 소요됩니다. 또한 유지보수 후 화강암 기반 축을 서로 재정렬하는 것도 더 어렵습니다. 이는 개별 스테이지 방식에서 훨씬 간단한 작업입니다.

표 1. 기계식 베어링 스테이지 온 화강암 방식과 IGM 방식 간의 근본적인 기술적 차이점 요약.

경제적 비교

모션 시스템의 절대 비용은 이동 거리, 축 정밀도, 하중 용량 및 동적 성능을 포함한 여러 요인에 따라 달라지지만, 본 연구에서 수행된 유사한 IGM 모션 시스템과 화강암 지지대 기반 모션 시스템의 상대적 비교 결과는 IGM 솔루션이 화강암 지지대 기반 시스템에 비해 비교적 낮은 비용으로 중정밀에서 고정밀 모션을 제공할 수 있음을 시사합니다.

저희 경제성 분석은 세 가지 기본 비용 구성 요소로 이루어져 있습니다. 즉, 기계 부품(제조 부품과 구매 부품 모두 포함), 화강암 조립, 그리고 인건비 및 간접비입니다.

기계 부품

IGM 솔루션은 기계 부품 측면에서 화강암 스테이지 솔루션에 비해 상당한 비용 절감 효과를 제공합니다. 이는 주로 IGM 솔루션에 Y축과 X축에 복잡하게 가공된 스테이지 베이스가 없기 때문이며, 이러한 부품들은 화강암 스테이지 솔루션에 복잡성과 비용을 더합니다. 또한, IGM 솔루션의 다른 가공 부품, 예를 들어 이동 캐리지 등은 IGM 시스템에 맞게 설계될 때 더 단순한 형상과 비교적 완화된 공차를 적용할 수 있어 비용 절감 효과를 가져옵니다.

화강암 조립체

IGM 시스템과 화강암 상판 시스템 모두에서 화강암 받침대-상판-교량 조립체는 형태와 외관이 유사해 보이지만, IGM 화강암 조립체가 약간 더 비쌉니다. 이는 IGM 솔루션에서 화강암이 화강암 상판 시스템에서 사용되는 가공된 받침대를 대체하기 때문이며, 화강암은 주요 부위에서 더욱 엄격한 공차를 요구하고, 압출 절단이나 나사산 강철 삽입물과 같은 추가적인 특징을 필요로 합니다. 그러나 본 사례 연구에서는 화강암 구조의 복잡성 증가는 가공 부품의 단순화로 인한 비용 증가를 충분히 상쇄하는 것으로 나타났습니다.

인건비 및 간접비

IGM 시스템과 화강암 상판 설치 시스템 모두 조립 및 테스트 과정에서 유사점이 많기 때문에 인건비와 간접비 측면에서 큰 차이가 없습니다.

이러한 모든 비용 요소를 종합해 보면, 본 연구에서 검토한 특정 기계식 베어링 IGM 솔루션은 기계식 베어링을 사용하는 화강암 지지대 솔루션보다 약 15% 저렴합니다.

물론 경제성 분석 결과는 이동 거리, 정밀도, 하중 용량과 같은 속성뿐만 아니라 화강암 공급업체 선정과 같은 요소에도 영향을 받습니다. 또한 화강암 구조물 조달과 관련된 운송 및 물류 비용을 고려하는 것이 현명합니다. 특히 초대형 화강암 시스템의 경우, 모든 규모의 시스템에 적용되지만, 최종 시스템 조립 장소와 가까운 곳에 있는 자격을 갖춘 화강암 공급업체를 선택하면 비용을 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

또한 이 분석에서는 구현 후 비용을 고려하지 않았다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 모션 시스템의 축을 수리하거나 교체해야 하는 경우를 생각해 보겠습니다. 화강암 스테이지 시스템은 해당 축을 분리하여 수리/교체하는 것만으로 간단하게 정비할 수 있습니다. 모듈식 스테이지 디자인 덕분에 초기 시스템 비용이 더 높더라도 비교적 쉽고 빠르게 정비할 수 있습니다. IGM 시스템은 일반적으로 화강암 스테이지 시스템보다 가격이 저렴하지만, 통합 구조로 인해 분해 및 정비가 더 어려울 수 있습니다.

결론

화강암 기반 무대와 IGM 기반 무대 등 각 유형의 모션 플랫폼 설계는 분명한 장점을 제공합니다. 그러나 특정 모션 애플리케이션에 가장 적합한 선택이 무엇인지 항상 명확한 것은 아닙니다. 따라서 Aerotech과 같이 풍부한 경험을 보유한 모션 및 자동화 시스템 공급업체와 협력하는 것이 매우 중요합니다. Aerotech은 애플리케이션에 특화된 컨설팅 접근 방식을 통해 까다로운 모션 제어 및 자동화 애플리케이션에 대한 다양한 솔루션 대안을 모색하고 귀중한 통찰력을 제공합니다. 이러한 두 가지 유형의 자동화 솔루션 간의 차이점뿐만 아니라 해결해야 하는 문제의 근본적인 측면까지 이해하는 것이 프로젝트의 기술적 및 재정적 목표를 모두 충족하는 모션 시스템을 선택하는 데 있어 성공의 핵심입니다.

에어로텍(AEROTECH) 제품입니다.