차세대 위치제어 장치에 맞는 직선 동력전달장치 선정
모션 솔루션을 직접 설계하거나 공급업체가 부품을 선택할 때, 혹은 시스템 솔루션 제공업체와 함께 일할 때에는 동력전달장치(드라이브 트레인)를 이해하는 일이 성공적이고 안정적인 시스템을 갖추는데 중요한 요소로 작용한다. 본 논문을 통해 차세대 동작구동 장치 관련 업계 종사자들이 더 쉽고 빠르게 설비 맞춤형 장비를 선정할 수 있도록 핵심 성능을 살펴보고자 한다.
글 | Jim Monnich, Parker Hannifinn(www.parker.com)
기계 구동에 최적화된 동력전달장치를 선택하는 것은 비치 볼 위에 코끼리를 세워 균형을 잡는 것과 비슷하다. 장비 구동상의 특징적인 핵심 기능들이 다양하게 있고, 여기에 설계상 고려해야 할 여러 조건이 있기 때문이다.
기계를 구동하는 중에 발생하는 오류를 해결하는 방법으로 다양한 대체 장치들을 선택할 수 있다. 각기 고유의 성격을 지니고 있어 한 가지 특징만을 극대화하는 것보다는 다양한 특징들을 적절히 고려하는 것이 올바른 방법일 것이다.
비치 볼 위의 코끼리를 예로 든 것과 같이, 가장 중요한 핵심 성능은 적절히 균형을 잡아서 평형 지점에 도달하는 것이다.
이 글에서 논리적으로 범주화된 핵심 특성에 대해 알아보고, 응용장치에 핵심적인 몇몇 특징에 집중하는 방법에 대하여 생각해보고자 한다.
최종적으로 5개의 일반적인 동력전달장치 기술에 대한 개요를 살펴보고 각각의 장단점을 알아본다. 소비자가 더욱 쉽고, 빠르고 보다 정확한 선택을 하게 함으로써 시간과 노력을 덜어주고자 한다.
>>> 핵심 성능 특성 - PETS 법칙
먼저, 관심을 갖고 있는 잠재적 성능 특성 목록을 나열하는 것이 중요하다. 선정 절차를 정하기 위하여 모든 선택 사항들을 다음의 4가지 주요 범주로 분류하고자 한다.
-정밀성(Precision)
-기대수명(Expected Life)
-처리량(Throughput)
-특수 고려사항(Special Considerations)
업계 종사자들은 이들의 앞 글자를 따 PETS라 칭한다. 각 범주마다 잠재적으로 여러 중요한 성능 특성이 있다.
1) 정밀성(Precision)
해상도(분해능, Resolution): 장치가 낼 수 있는 최소 제어 단계(Incrimental Step).
반복성(Repeatability): 반복적으로 동일 지정 위치로 이동하는 능력. 이는 지시 지점에 대한 반복적 정밀성을 나타낸다.
정확도(Accuracy): 정해진 원점에서 정확히 지정된 거리를 이동하는 능력. 이는 한 지점만 알려주면 정확도의 사양 내에서 모든 다른 지점에 정확하게 위치하도록 해준다.
속도 제어(Velocity Control): 이동 중 일정한 속도를 일정하게 유지하는 능력. 스캐닝 공정과 같이 구동 중 프로세스형 공정에서 요구하는 핵심 요소이다.
2) 기대수명(Expected Life)
기계 효율(Mechanical Efficiency): 높은 효율은 긴 수명 및 낮은 에너지 소비를 의미한다.
기계적 내마모성(Mechanical Wear Resistance): 동력 전달 과정에서 마찰에 의하여 기계적 마모가 발생한다. 마찰이 낮으면 기계적 마모 역시 줄어든다.
오염 저항도(Contamination Resistance): 사용하는 환경이 청결하다면 오염을 크게 긴셩쓰지 않아도 될 것이다. 하지만 먼지나 분진 그리고 물 등이 존재하는 환경이라면 이야기가 달라진다. 오염 저항도는 장비 내 요소들의 마찰 및 구동요소 자체를 보호하기 위한 기능이라고 볼 수 있다.
유지보수(Maintenance): 윤활유를 도포한다거나 조정 조치를 하는 등의 예방적 관리 (Preventative Maintenance)를 기기 에 얼마나 자주, 또 어느 정도로 수행하는지에 대한 측면이다.
3) 작업 처리량
속도 성능(Speed Capacity): 장치가 낼 수 있는 실제 직선 속도. 상대적 이동이 긴 장치일수록 중요한 요소이다(최고 속도구간에서 이동 시간이 더 오래 걸리기 때문).
최대 가속(Maximum Acceleration): 최고속도에 도달하기 위해 속도가 증가하는 비율. 상대적 이 동이 짧은 장치일수록 중요한 요소이다(가속과 감속구간에서 이동 시간이 더 소요되기 때문).
주파수 응답(Frequency Response): 움직임 등의 변경 요청에 반응하는 속도를 결정하는 동력전달장치의 탄성률 혹은 강성. 이 특성은 정지 명령을 내린 후 작동을 중지하거나 속도를 변경하는 데 걸리는 시간을 결정한다.
작동 주기(Duty Cycle): 동력전달장치가 휴식 없이(작업을 멈추지 않고) 작동할 수 있는 시간.
4) 특수 고려사항
힘 밀도(Force Density): 기계적 장점은 힘 밀도의 핵심 요소이다.
재료비(Material Cost): 성능에 맞추어 장비를 최적화하면 증가하는 경향이 있다.
구현 비용(Implementation Cost): 재료비 이외의 비용으로, 일반적으로 통합 또는 유지보수에 드는 비용을 말한다.
이동 길이(Travel Length): 일부 동력전달장치는 효과적으로 선형 변형을 제공하는 거리 에 물리적 한계가 있다.
>>> 동력전달장치의 종류
오늘날 직선운동 장비에서 가장 일반적으로 사용되는 5가지 동력전달장치 기술에 초점을 맞춘다.
응용분야 및 장치 적용에 고려하고 있는 다른 기술이나 폼 팩터(하드웨어의 구성과 크기 그리고 물적인 배열 등. 편집자 주)가 있다면 이에 맞게 기본 구성 과 우선순위를 정해야 한다.
볼스크류(Ball Screw). 나사산 및 여기에 부합하는 볼 너트의 조합을 말한다. 너트와 나사 접점 표면 간에 재순환 볼 베어링을 장착한 것이 특징이다. 회전 베어링은 높은 효율 및 긴 사이클 타임을 보장한다.
볼스크류는 높은 정밀성과 반복성 그리고 부하 밀도를 요구하는 애플리케이션 및 장치에 적합하다. 볼스크류는 너무 느리지도 지나치게 빠르지도 않은 적당한 속도를 낼 수 있지만, 그 속도는 나사 움직임에 따라 제한된다. 수명을 최대화하고 유지보수를 최소화하기 위해 이동경로 에 나사를 적절히 정렬하는 일은 상대적으로 어려울 수 있다. 볼스크류는 또한 나사의 품질에 따라 작동이 매우 시끄러울 수 있다.
리드스크류(Lead Screw). 리드스크류는 나사산(Threaded Rod)과 접점 표면을 이동하는 스레드 너트(Threaded Nut)로 구성되어있다. 백래시를 줄이기 위해 너트 조립 과정에서 예압을 적용하기도 한다(Preloaded).
리드스크류는 사용율이 낮거나 상대적으로 미세조정을 덜 필요로 하는 장치에 적합하다. 리드스크류는 일반적으로 볼스크류와 비교했을 때 그 효율성이 약 절반에 불과하다. 따라서 동일한 스러스트 출력(Thrust Output)을 달성하기 위해 약 2배의 토크를 필요로 하게 된다.
리드스크류는 효율성이 낮지만 역구동에 탁월한 저항성이 있다. 이로 인해 수직 구동에 주로 사용한다. 이런 특징이 없다면 동력의 손실이 발생했을 때 하중을 가지고 있는 물체를 정지시키기 위한 브레이크를 별도로 마련해야 한다.
또한 리드스크류가 마찰 장치임을 감안할 때, 공진 현상을 일으킬 수 있다.
타이밍 벨트(Timing Belt). 두 개의 톱니 도르래(Pulley)가 연결되어 있으며, 일반적으로 하나는 피동(Idler), 하나는 능동(Driven) 형태를 띤다. 주로 캐리지를 부착하여 사용한다. 직선운동에서 가장 간단하고 일반적인 동력전달장치다.
타이밍 벨트는 긴 수명과 유지보수를 필요로 하지 않는, 그리고 100마이크론 수준의 정밀성이면 되는 정도의 고속 장치에 강점이 있다.
타이밍 벨트를 설계하는 데에 있어 가장 큰 난제는 벨트 장력 유지 시스템 및 스러스트 하중을 감당할 수 있는 풀리 베어링에 있다.
랙 앤 피니언(Rack & Pinion). 직선 기어(랙)와 원형의 톱니기어(피니언)가 한 쌍으로 이루어져 있다. 일반적으로 원형 기어가 움직이고 막대는 고정된 형태를 취한다. 이 동력 전달장치는 고속을 요구하거나 이동거리 가 긴 애플리케이션에 이상적이다. 하지만 정밀성은 높지 않다. 랙 앤 피니언의 단점으로는 시스템 백래시를 제거하는 방법이 제한적이라는 점과, 다소 큰 소음을 들 수 있다.
리니어 모터(Linear Motor). 자석이 전자석 캐리 지와 나란히 배열되어 있다. 캐리지는 직선 방향으로 물체를 이동한다. 지금까지 설명한 장치 중 유일한 (기계적 접촉이 전혀 없는)직접구동장치다.
리니어 모터는 높은 속도와 가속 성능을 자랑한다. 또한 정밀도가 높고 백래시가 없으며 추종오차(Following Error)및 추종시간 (Settling Time)이 탁월하다.
리니어 모터는 지금까지 설명한 기술 중 가장 비용이 많이 드는데, 자석 및 선형 피드백 장치가 필요하기 때문이다. 리니어 모터는 기계적인 장점을 누릴 수 없어서 힘 밀도(Force Density)를 극대화하기 어렵다. 따라서 수직으로 작동하는 애플리케이션에 리니어 모터 사용이 상대적으로 까다롭다.
>>> 동력전달장치 선정하기
사용자가 중요시하는 요구사항에 적 합한 동력전달장치를 골라본다.
1) 정밀성에 초점 맞추기
고려사항
정밀성에 초점을 맞춘다. 이를 위해서는 사용자가 분해능 측면에서 무엇을 원하는지를 파악하고 이해해야 한다. 적절한 최소 증분 단계를 결정하는 것은 정밀성과 관련한 다른 모든 측정의 토대로 작용한다.
정밀성에서 두 번째로 중요한 요소 는 반복성이다.
높은 정도(Accuracy)를 가진 시스템을 구축하기 위해서는 재료와 구현 측 면 모두에서 보다 많은 비용을 필요로 한다. 따라서 정말로 높은 정밀성을 필요로 하는지를 알아보아야 한다. 티칭이나 맵핑 과정을 통해 실제 정밀도를 우회하는 기술도 구현할 수 있다.
·속도 제어는 스캐닝 관련 어플리케이션 에서 필요로 하는 기능이다. 매우 높은 해상도 혹은 속도가 필요한, 즉각 반응(On the Fly Dispensing) 분야에 필요한 기술이다. 속도 제어 기술은 시스템 비 용 증가의 또 다른 원인으로 작용한다.
2) 기술
정밀성 측면에서는 리니어 모터 및 정밀 볼스크류가 압도적으로 우수한특성 을 가지고 있다. 하지만 모션컨트롤 애플리케이션 중 대부분은 이러한 고 정밀성을 필요로 하지 않는다. 아직까지 많은 모션컨트롤 분야에서 타이밍 벨트를 보편적으로 사용하는 이유이기도 하다.
2)기대수명에 초점 맞추기
고려사항
위생상에 문제가 있거나 열악한 환경이 아니라면, 가장 우선적으로 고려해야 하는 특성으로 기계 효율이 있다.
동력전달장치를 구성하는 요소들의 높은 효율은 긴 수명 및 낮은 에너지 소비로 이어진다. 유지보수에 대한 필요성을 줄이고 모터 혹은 구동장치와 같은 부품의 크기를 최소화할 수 있도록 해주기 때문이다.
내마모성은 일반적으로 기계장치(구조)와 관련한 일종의 마찰 유형의 함수라고 정의할 수 있다. 장치의 마찰이 적으면 마모 역시 적게 일어난다.
여기에서 한 가지 예외가 있다. 리니어 모터가 그것이다. 구동 방식 자체는 자기부상 방식으로 마찰이 전혀 없지만, 장치 특성상 대부분의 애플리케이션에서 가동자에 연결된 케이블이 따라 움직이게 된다. 이를 제대로 관리하지 않으면 특정 장치에서의 마모가 일어나고, 수명에 제한을 준다.
열악한 환경에서는 먼지에 대한 저항성을 가장 우선적으로 고려해야 한다.
유지보수는 효율 및 내마모성과 밀접한 연관이 있다. 기계를 사용하는 동안 현장에서 유지보수를 하지 않아도 되는 것이 가장 이상적이다.
모든 기계 장치는 수명 측면에서 제한 이 있다. 설계 시 장치의 마모 혹은 휴지시간이 시스템이 가지고 있는 장기적인 정밀성에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것이 중요하다.
기술
장비 효율을 높이고 유지보수 요구사항을 줄이고자 한다면 감안하면, 타이밍 벨트가 적절한 선택이다.
3)처리량에 초점 맞추기
고려사항
장치에 필요한 이송거리에 따라 속 도 혹은 가속·감속 등 주요 기준이 달라진다. 최고 속도를 냈음에도 사이클 타임보다 많은 시간이 소요되는 긴 거리에서 작업하는 경우 속도가 중요한 요소 로 떠오른다. 반면 이송거리가 짧은 환경에서 가속 및 감속 구간에서 많은 시간이 소요 된다면 가속도 및 감속도가 중요하다.
위치에 대한 요구사항이 엄격하며(즉, 높은 정밀도를 필요로 하며) 시간에 민감한 애플리케이션이라면 주파수 응답 특성이 핵심 요소다.
반면, 예를 들어 대부분의 픽 앤 플레이스 애플리케이션에서는 그렇게까지 높은 수준의 주파수 응답 특성을 필요로 하지 않는다. 주파수 응답 특성은 비용을 증가시키는 요인 중 하나다.
듀티 사이클은 설계 결과물이 실제 애플리케이션에서 작동하는 것을 보장하기 위해 확인하고 검증해야 하는 특성이다.
기술
처리량 관점에서 보았을 때는 리니어 모터가 비교할 수 없을 만큼 뛰어난 특성을 자랑한다. 빠른 속도와 높은 정밀도 그리고 기계적 구동이 없다는 점과 높은 주파수 응답 등은 처리량 측면에서 비 할 데 없는 솔루션으로 떠오르게 한다.
4) 특수 고려사항에 초점 맞추기
고려사항
재료비와 구현비용 모두 주요 설계 고려사항이다. 낮은 비용으로 서로 다른 특성들을 올바르게 조합하는 것을 목표로 하고 있기 때문이다.
힘 밀도는 패키징 분야에서 중요시하는 요소다. 기계 설계가 계속해서 소형화됨에 따라 보다 중요한 특성으로 자리하고 있다. 특히 최종적으로 작용할 장치, 혹은 축에 장착하는 장치 등을 고려할 때 핵심적인 요소다.
결론
최고의 동력전달장치를 선택하기 위해서는 다양한 요소들 사이에서 균형을 잡는 것이 중요하다. 하나의 핵심 성능 특성을 최적화할 경우, 다른 성능 특성들에 대해서는 포기할 부분이 생길 가능성이 크다.
기계 및 애플리케이션에 필요한 성능 관련 요구사항이 무엇인지 아는 것이 작업의 성패를 좌우한다. 따라서 먼저 정밀성, 기대수명, 작업 처리량 그리고 기타 고려사항에 대한 요구사항이 무엇인지 이해하는 것에서 시작하는 것이 좋다. 각 범주에서 몇 가지 속성만을 선택하여 제시한 지침을 활용해 보도록 한다. 모듈식 솔루션이나 시스템 솔루션에 대한 문의는 Parker Automation Division(AKD@Parker.com)으로 문의하면 된다.
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