스테이지온그래나이트와 통합그래나이트 모션 시스템의 차이점

특정 응용 분야에 가장 적합한 화강암 기반 선형 모션 플랫폼을 선택하는 것은 다양한 요인과 변수에 따라 달라집니다. 각 응용 분야마다 고유한 요구 사항이 있으며, 모션 플랫폼 측면에서 효과적인 솔루션을 추구하기 위해서는 이러한 요구 사항을 이해하고 우선순위를 정해야 한다는 점을 인지하는 것이 중요합니다.

가장 널리 사용되는 솔루션 중 하나는 화강암 구조물에 개별 위치 결정 스테이지를 장착하는 것입니다. 또 다른 일반적인 솔루션은 운동 축을 구성하는 구성 요소를 화강암 자체에 직접 통합하는 것입니다. 화강암에 스테이지를 설치하는 방식과 화강암 통합 운동(IGM) 플랫폼 중 하나를 선택하는 것은 선택 과정에서 가장 먼저 내려야 할 결정 중 하나입니다. 두 솔루션 유형 간에는 명확한 차이가 있으며, 물론 각 솔루션에는 고유한 장점과 단점이 있으므로 신중하게 이해하고 고려해야 합니다.

이러한 의사결정 과정에 대한 더 나은 통찰력을 제공하기 위해 우리는 기계적 베어링 사례 연구의 형태로 기술적, 재정적 관점에서 두 가지 기본 선형 모션 플랫폼 설계(전통적인 스테이지-화강암 솔루션과 IGM 솔루션) 간의 차이점을 평가합니다.

배경

IGM 시스템과 기존 스테이지온그라나이트 시스템 간의 유사점과 차이점을 알아보기 위해 우리는 두 가지 테스트 케이스 설계를 생성했습니다.

• 기계식 베어링, 화강암 스테이지
• 기계 베어링, IGM

두 경우 모두 각 시스템은 세 개의 운동축으로 구성됩니다. Y축은 1000mm의 이동 거리를 제공하며 화강암 구조물 바닥에 위치합니다. 조립체의 브릿지에 위치한 X축은 400mm의 이동 거리를 제공하며, 수직 Z축은 100mm의 이동 거리를 갖습니다. 이러한 배치는 그림으로 표현됩니다.

스테이지 온 그라나이트 설계의 경우, Y축에는 PRO560LM 광동체 스테이지를 선택했습니다. 이는 이러한 "Y/XZ 분할 브리지" 배열을 사용하는 많은 모션 애플리케이션에서 일반적으로 사용되는 더 큰 하중 지지 용량 때문입니다. X축에는 많은 애플리케이션에서 브리지 축으로 일반적으로 사용되는 PRO280LM을 선택했습니다. PRO280LM은 설치 공간과 고객 페이로드를 포함한 Z축을 운반할 수 있는 기능 간의 실용적인 균형을 제공합니다.

IGM 설계의 경우, 위에 나열된 축의 기본 설계 개념과 레이아웃을 면밀히 복제했습니다. 가장 큰 차이점은 IGM 축이 화강암 구조에 직접 내장되어 있어 화강암 위에 스테이지를 설치하는 설계에 있는 기계로 가공된 구성 요소 기반이 없다는 것입니다.

두 설계 사례 모두에서 공통적으로 사용되는 Z축은 PRO190SL 볼스크류 구동 스테이지로 선택되었습니다. 이 축은 넉넉한 탑재량과 비교적 컴팩트한 폼팩터 덕분에 브리지의 수직 방향에서 매우 널리 사용됩니다.

그림 2는 연구된 특정 화강암 및 IGM 시스템을 보여줍니다.

기술 비교

IGM 시스템은 기존의 스테이지 온 화강암 설계와 유사한 다양한 기술과 구성요소를 사용하여 설계되었습니다. 결과적으로 IGM 시스템과 스테이지 온 화강암 시스템 간에는 수많은 공통적인 기술적 특성이 존재합니다. 반대로, 운동축을 화강암 구조물에 직접 통합함으로써 IGM 시스템과 스테이지 온 화강암 시스템을 차별화하는 몇 가지 특징이 있습니다.

폼 팩터

아마도 가장 눈에 띄는 유사점은 기계의 기초인 화강암에서 시작될 것입니다. 스테이지-온-화강암 방식과 IGM 설계 사이에는 기능과 공차에 차이가 있지만, 화강암 받침대, 라이저, 브리지의 전체 치수는 동일합니다. 이는 스테이지-온-화강암 방식과 IGM 방식의 공칭 및 한계 이동 거리가 동일하기 때문입니다.

건설

IGM 설계에서 가공 부품 축 베이스가 없다는 점은 스테이지 온 그라나이트 솔루션에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다. 특히, IGM의 구조 루프에서 부품 수를 줄임으로써 전체 축 강성을 높이는 데 도움이 됩니다. 또한 그라나이트 베이스와 캐리지 상단 표면 사이의 거리를 줄일 수 있습니다. 이 특정 사례 연구에서 IGM 설계는 작업 표면 높이를 33% 낮췄습니다(120mm 대비 80mm). 이렇게 낮아진 작업 높이는 더욱 컴팩트한 설계를 가능하게 할 뿐만 아니라, 모터와 인코더에서 작업 지점까지의 기계 오프셋을 줄여 아베 오차를 줄이고 작업 지점 위치 결정 성능을 향상시킵니다.

축 구성 요소

설계를 더 자세히 살펴보면, 스테이지 온 그라나이트 솔루션과 IGM 솔루션은 선형 모터 및 위치 인코더와 같은 핵심 구성 요소를 공유합니다. 공통 포서(Forcer) 및 자석 트랙을 선택하면 동등한 힘-출력 성능을 얻을 수 있습니다. 마찬가지로, 두 설계 모두에서 동일한 인코더를 사용하면 위치 피드백에 대해 동일한 정밀 분해능을 얻을 수 있습니다. 결과적으로 스테이지 온 그라나이트 솔루션과 IGM 솔루션 간의 선형 정확도 및 반복성 성능은 큰 차이가 없습니다. 베어링 분리 및 공차 설정을 포함한 유사한 구성 요소 레이아웃 덕분에 기하학적 오차 동작(수평 및 수직 진직도, 피치, 롤, 요) 측면에서 유사한 성능을 얻을 수 있습니다. 마지막으로, 케이블 관리, 전기 제한, 하드스톱을 포함한 두 설계의 지원 요소는 기능 면에서 근본적으로 동일하지만 물리적 외관은 다소 다를 수 있습니다.

문장

이 특정 설계에서 가장 눈에 띄는 차이점 중 하나는 리니어 가이드 베어링의 선택입니다. 스테이지 온 그라나이트(Stage-on-Granite) 및 IGM 시스템 모두에 재순환 볼 베어링이 사용되지만, IGM 시스템은 축 작업 높이를 높이지 않고도 더 크고 견고한 베어링을 설계에 통합할 수 있습니다. IGM 설계는 별도의 가공 부품 기반이 아닌 그라나이트를 기반으로 하기 때문에, 가공 기반이 차지할 수직 공간의 일부를 재활용하여 그라나이트 위의 캐리지 전체 높이를 줄이면서도 더 큰 베어링으로 공간을 채울 수 있습니다.

단단함

IGM 설계에서 더 큰 베어링을 사용하면 각 강성에 큰 영향을 미칩니다. 광폭 차체 하부 축(Y)의 경우, IGM 솔루션은 스테이지 온 그라나이트 설계보다 롤 강성이 40% 이상, 피치 강성이 30%, 요 강성이 20% 더 높습니다. 마찬가지로, IGM의 브리지는 스테이지 온 그라나이트 설계보다 롤 강성이 4배, 피치 강성이 2배, 요 강성이 30% 이상 높습니다. 높은 각 강성은 동적 성능 향상에 직접적으로 기여하기 때문에 유리하며, 이는 기계 처리량 향상에 필수적입니다.

하중 용량

IGM 솔루션의 더 큰 베어링은 스테이지 온 그래나이트 솔루션보다 훨씬 더 높은 탑재 하중 용량을 제공합니다. 스테이지 온 그래나이트 솔루션의 PRO560LM 베이스 축은 150kg의 하중 용량을 가지고 있지만, 해당 IGM 솔루션은 300kg의 탑재 하중을 수용할 수 있습니다. 마찬가지로, 스테이지 온 그래나이트의 PRO280LM 브리지 축은 150kg을 지지하는 반면, IGM 솔루션의 브리지 축은 최대 200kg까지 지지할 수 있습니다.

움직이는 질량

기계 베어링 IGM 축의 더 큰 베어링은 더 나은 각도 성능 특성과 더 큰 하중 지지 용량을 제공하지만, 더 크고 무거운 트럭과 함께 제공됩니다. 또한, IGM 캐리지는 스테이지 화강암 축에 필요한 특정 가공 특징(IGM 축에는 필요하지 않음)을 제거하여 부품 강성을 높이고 제조를 단순화하도록 설계되었습니다. 이러한 요인으로 인해 IGM 축은 해당 스테이지 화강암 축보다 더 큰 이동 질량을 가집니다. 확실한 단점은 모터 출력이 변하지 않는다고 가정할 때 IGM의 최대 가속도가 더 낮다는 것입니다. 그러나 특정 상황에서는 더 큰 이동 질량이 유리할 수 있습니다. 더 큰 관성은 외란에 대한 더 큰 저항을 제공할 수 있으며, 이는 위치 안정성 증가와 상관관계가 있을 수 있습니다.

구조 동역학

IGM 시스템의 높은 베어링 강성과 더욱 견고한 캐리지는 유한요소해석(FEA) 소프트웨어 패키지를 사용하여 모달 해석을 수행한 후 나타나는 추가적인 이점을 제공합니다. 본 연구에서는 서보 대역폭에 미치는 영향으로 인해 이동 캐리지의 첫 번째 공진을 분석했습니다. PRO560LM 캐리지는 400Hz에서 공진을 경험하는 반면, 해당 IGM 캐리지는 430Hz에서 동일한 공진 모드를 경험합니다. 그림 3은 이 결과를 보여줍니다.

IGM 솔루션의 공진이 기존 스테이지 온 그라나이트(stage-on-granite) 솔루션보다 높은 이유는 캐리지와 베어링 설계의 견고성 때문입니다. 캐리지 공진이 높을수록 서보 대역폭이 넓어지고 동적 성능이 향상됩니다.

운영 환경

오염 물질이 존재할 경우, 사용자 공정에서 발생하든 기계 환경에 존재하든 축 밀봉은 거의 항상 필수적입니다. 스테이지 온 그라나이트(Granite) 솔루션은 축의 본질적인 폐쇄성 때문에 이러한 상황에 특히 적합합니다. 예를 들어, PRO 시리즈 리니어 스테이지는 하드커버와 측면 씰이 장착되어 있어 스테이지 내부 구성 요소를 오염으로부터 어느 정도 보호합니다. 또한, 스테이지가 이동하면서 상단 하드커버에 쌓인 이물질을 닦아내는 테이블탑 와이퍼(옵션)를 장착할 수 있습니다. 반면, IGM 모션 플랫폼은 베어링, 모터, 인코더가 노출된 개방형 구조를 가지고 있습니다. 깨끗한 환경에서는 문제가 되지 않지만, 오염이 있는 경우 문제가 될 수 있습니다. 이 문제는 IGM 축 설계에 특수 벨로우즈 스타일의 웨이 커버를 통합하여 이물질로부터 보호함으로써 해결할 수 있습니다. 하지만 벨로우즈가 올바르게 구현되지 않으면 캐리지가 전체 이동 범위를 움직일 때 캐리지에 외부 힘을 가해 축의 동작에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

유지

스테이지 온 그라나이트 모션 플랫폼과 IGM 모션 플랫폼의 차이점은 서비스 용이성입니다. 리니어 모터 축은 견고함으로 잘 알려져 있지만, 때로는 유지보수가 필요할 수 있습니다. 일부 유지보수 작업은 비교적 간단하여 해당 축을 제거하거나 분해하지 않고도 수행할 수 있지만, 때로는 더 철저한 분해가 필요합니다. 모션 플랫폼이 그라나이트에 장착된 개별 스테이지로 구성된 경우, 유지보수는 비교적 간단한 작업입니다. 먼저 그라나이트에서 스테이지를 분리한 후 필요한 유지보수 작업을 수행하고 다시 장착합니다. 또는 새 스테이지로 교체하면 됩니다.

IGM 솔루션은 유지보수 작업 시 더욱 까다로울 수 있습니다. 선형 모터의 단일 자석 트랙을 교체하는 것은 이 경우 매우 간단하지만, 더 복잡한 유지보수 및 수리는 축을 구성하는 여러 구성 요소 또는 모든 구성 요소를 완전히 분해해야 하는 경우가 많으며, 구성 요소를 화강암에 직접 장착하는 경우 시간이 더 많이 소요됩니다. 또한 유지보수 작업 후 화강암 기반 축을 서로 다시 정렬하는 것도 더 어려운데, 이는 개별 단계를 거치면 훨씬 더 간단한 작업입니다.

표 1. 기계식 베어링 스테이지 온 화강암과 IGM 솔루션 간의 기본적인 기술적 차이점 요약.

경제 비교

모션 시스템의 절대 비용은 이동 길이, 축 정밀도, 하중 용량 및 동적 성능 등 여러 요인에 따라 달라지지만, 이 연구에서 수행한 유사 IGM 및 스테이지 온 그래닛 모션 시스템의 상대적 비교는 IGM 솔루션이 스테이지 온 그래닛 대응 제품보다 적당히 낮은 비용으로 중간에서 높은 정밀도의 모션을 제공할 수 있음을 보여줍니다.

우리의 경제 연구는 세 가지 기본 비용 구성요소로 구성되어 있습니다. 기계 부품(제조 부품과 구매 부품 모두 포함), 화강암 조립, 노동비 및 간접비입니다.

기계 부품

IGM 솔루션은 스테이지 온 그라나이트 솔루션에 비해 기계 부품 측면에서 상당한 절감 효과를 제공합니다. 이는 주로 IGM의 Y축과 X축에 정교하게 가공된 스테이지 베이스가 없기 때문에 스테이지 온 그라나이트 솔루션의 복잡성과 비용이 증가하기 때문입니다. 또한, IGM 솔루션의 다른 가공 부품(예: 이동 캐리지)이 상대적으로 간소화되어 IGM 시스템에 적합하게 설계될 경우, 더 간단한 기능과 다소 완화된 공차를 가질 수 있기 때문에 비용 절감 효과가 있습니다.

화강암 조립

IGM과 스테이지-온-화강암 시스템 모두에서 화강암 베이스-라이저-브리지 어셈블리는 형태와 외관이 유사해 보이지만, IGM 화강암 어셈블리는 다소 더 비쌉니다. 이는 IGM 솔루션의 화강암이 스테이지-온-화강암 솔루션의 가공된 스테이지 베이스를 대체하기 때문입니다. 이 경우 화강암은 중요 영역에서 일반적으로 더 엄격한 공차를 가져야 하며, 압출 절삭 및/또는 나사산 강 인서트와 같은 추가 기능이 필요합니다. 그러나 본 사례 연구에서는 화강암 구조의 복잡성이 기계 부품의 단순화로 상쇄되고도 남습니다.

노동비 및 간접비

IGM과 스테이지온그라나이트 시스템은 조립 및 테스트 측면에서 많은 유사점을 가지고 있기 때문에 노동비와 간접비 측면에서 큰 차이는 없습니다.

이러한 모든 비용 요소를 합치면, 이 연구에서 검토한 특정 기계식 베어링 IGM 솔루션은 기계식 베어링, 화강암판 솔루션보다 약 15% 더 저렴합니다.

물론 경제성 분석 결과는 이동 거리, 정밀도, 하중 용량과 같은 속성뿐만 아니라 화강암 공급업체 선정과 같은 요인에도 영향을 받습니다. 또한, 화강암 구조물 조달과 관련된 운송 및 물류 비용도 신중하게 고려해야 합니다. 모든 크기에 해당하지만 특히 초대형 화강암 시스템에 유용하며, 최종 시스템 조립 장소와 가까운 자격을 갖춘 화강암 공급업체를 선택하는 것도 비용 최소화에 도움이 될 수 있습니다.

이 분석에는 구현 후 비용이 고려되지 않았다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 모션 축을 수리하거나 교체하여 모션 시스템을 정비해야 한다고 가정해 보겠습니다. 스테이지 온 그라나이트 시스템은 문제가 있는 축을 제거하고 수리/교체하는 것만으로 정비할 수 있습니다. 스테이지 스타일 설계가 모듈화되어 있기 때문에 초기 시스템 비용이 높음에도 불구하고 비교적 쉽고 빠르게 정비할 수 있습니다. IGM 시스템은 일반적으로 스테이지 온 그라나이트 시스템보다 저렴한 비용으로 구입할 수 있지만, 구조가 통합되어 있기 때문에 분해 및 정비가 더 어려울 수 있습니다.

결론

스테이지 온 그라나이트(stage-on-granite)와 IGM(In-Ground Motion Management) 등 각 모션 플랫폼 설계 유형은 분명히 고유한 이점을 제공합니다. 그러나 특정 모션 애플리케이션에 가장 이상적인 선택이 무엇인지 항상 명확하게 알 수 있는 것은 아닙니다. 따라서 Aerotech와 같이 애플리케이션 중심의 컨설팅 방식을 통해 까다로운 모션 제어 및 자동화 애플리케이션에 대한 솔루션 대안을 모색하고 귀중한 통찰력을 제공하는 경험이 풍부한 모션 및 자동화 시스템 공급업체와 협력하는 것이 매우 중요합니다. 이 두 가지 자동화 솔루션의 차이점뿐만 아니라 해당 솔루션이 해결해야 하는 문제의 근본적인 측면을 이해하는 것은 프로젝트의 기술적 및 재정적 목표를 모두 충족하는 모션 시스템을 선택하는 데 있어 핵심적인 요소입니다.

AEROTECH에서.