고정밀 리니어 모션을 구현하는 방법!

애플리케이션에 적합한 모터 기술

정밀 모션에 가장 널리 사용되는 기술은 다양한 종류의 전기 모터입니다. 전원을 기준으로 DC(직류) 모터와 AC(교류) 모터를 구분합니다. 또 다른 주요 차별화 요소는 자기, 정전기 또는 압전 등 작동 원리입니다.

자성 기반 DC 및 AC 모터

자기 기반 DC 및 AC 모터는 전기 자동차부터 가전제품에 이르기까지 일상 생활의 모든 분야에 존재하기 때문에 가장 일반적으로 알려져 있습니다. 자성 기반 모터의 모든 변형을 자세히 설명하지 않고 고정밀 모션 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 유형에 대해 자세히 살펴 보겠습니다:

DC 서보 모터: 이 모터는 매우 정밀하며 인코더 기반 위치 피드백을 통한 폐쇄 루프 제어로 매우 정확한 위치 제어를 제공합니다. 로봇 공학, CNC 기계 및 정밀한 제어가 필요한 기타 자동화 시스템과 같은 애플리케이션에 자주 사용됩니다.
스테퍼 모터: 이 모터는 원래 서보 모터의 저렴한 대안으로, 피드백 인코더 없이도 개방 루프 위치 제어로 사용할 수 있는 출력 단계가 내장되어 있어 위치를 제어할 수 있는 고유의 기능으로 인해 서보 모터를 대체할 수 있었습니다. 이 작동 모드에서는 시작 시 시작 단계가 필요하며 과부하로 인해 단계를 놓치거나 위치 오류가 발생할 수 있기 때문에 성능이 제한됩니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 요즘에는 스테퍼 모터에 인코더 피드백이 있고 폐쇄 루프 모드로 작동하는 것이 일반적이므로 서보 모터를 대체할 수 있는 대안이 될 수 있습니다.
선형 모터: "전기 모터의 스테이터와 로터를 '풀면' 선형 모터가 됩니다. 브러시리스, 브러시, 동기 또는 유도 등 다양한 유형으로 제공됩니다. 자기 부상 열차와 같은 중공업 분야 외에도 반도체 제조 또는 정밀 스테이지와 같은 정밀 분야에서도 사용되며 가속, 최대 속도, 정확도, 속도 불변성, 진동 방지 측면에서 리드스크류 및 볼스크류 구동 포지셔닝 스테이지에 비해 이점을 제공합니다.

피에조 액추에이터와 피에조 모터 - 차이가 있을까요?

압전 기반 솔루션은 위에 나열된 고정밀 이동 솔루션의 주요 경쟁자입니다. 여기서는 크게 두 가지 그룹으로 구분합니다. 피에조 액추에이터와 피에조 모터.

자기 기반 전기 모터는 일반적으로 회전 운동을 생성합니다(선형 모터 제외). 이러한 모터에서 선형 운동을 생성하려면 전환 메커니즘이 필요합니다. 이를 위한 가장 일반적인 솔루션은 리드 스크류와 볼 스크류를 통합하는 것입니다.

그러나 직접 구동 피에조 모터의 경우 구조상 생성된 동작이 이미 선형이기 때문에 이러한 부품이 필요하지 않습니다. 또한 원 둘레를 따라 선형 운동을 적용하면 직접 구동 회전 피에조 모터가 됩니다.

모터뿐만 아니라 전체 모션 시스템을 고려하는 것이 중요한 이유는 무엇인가요?

위에서 살펴본 것처럼 고정밀 리니어 모션은 모터만으로는 달성할 수 없는 경우가 많습니다. 따라서 설계 및 통합 과정에서 전체 모션 시스템을 고려하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 특정 작업에 적합한 매우 저렴한 DC 모터를 상상할 수 있지만 통합 과정에서 모든 작동 요구 사항을 충족하기 위해 기어박스, 브레이크 시스템, 리드 스크류 또는 볼 스크류 솔루션이 필요하다는 사실을 알게 될 것입니다. 반면 피에조 모터는 모터 가격과 모터 가격을 비교할 때 더 비쌀 수 있지만, 고유 기능으로 인해 추가 부품이 필요하지 않으므로 소싱, 조립 및 유지보수가 훨씬 쉽습니다. 이 예는 부품 솔루션이 아닌 모션 시스템을 고려해야 하는 이유를 잘 보여줍니다. 다음 표는 다양한 솔루션을 종합적으로 비교한 것입니다:

기술	DC 서보 및 스테퍼 모터	리니어/음성 코일 모터	피에조 모터
선형 모션	변환 가능	네	네
회전 모션	네	변환 가능	네
전력 소비 없는 자동 홀드/브레이크	추가 메커니즘이 추가된 경우	추가 메커니즘이 추가되거나 전원이 켜져 있는 경우	예, 고정밀 위치 유지
움직임 시작 또는 종료 시 백래시	추가 된 기계 부품의 플레이로 인해 존재 - 특수 기어를 사용하여 0에 가깝게 줄일 수 있습니다.	자석과 코일의 힘에 따라 달라집니다.	반발 없음
설계 시 트레이드 오프	힘 대 속도: 장착된 기어박스에 따라 다름 해상도 대 가격: 고정밀을 위해서는 좋은 인코더와 컨트롤러가 필요합니다. 또한 선형 모션의 경우 고품질 스핀들이 필요합니다 힘 대 가격: 더 높은 힘을 위해서는 더 많은 자성 재료가 필요합니다.	스트로크 대 무게: 스트로크가 길수록 더 많은 자석이 필요하므로 무게가 증가합니다 해상도 대 스트로크: 스트로크가 길수록 고해상도가 더 어렵습니다 반복성 대 가격: 높은 해상도에도 불구하고 움직임이 절대적이지 않기 때문에 반복성이 낮습니다.	힘 대 가격: 더 높은 힘을 위해서는 더 많은 세라믹 소재가 필요합니다 힘 대 스트로크: 더 높은 힘을 위해서는 더 짧은 스트로크 길이를 사용할 수 있습니다 힘 대 속도: 일반적으로 모터 속도가 감소합니다.

기어 및 스핀들과 결합된 DC 모터의 정밀도는 여러 요인에 따라 달라집니다:

기어비: 기어비는 모터의 회전이 스핀들의 회전으로 변환되는 정도를 결정합니다. 기어비가 높을수록 더 세밀한 제어와 정밀도를 제공할 수 있지만 속도가 저하될 수 있습니다.
모터 제어: 모터의 제어 시스템은 중요한 역할을 합니다. PID(비례-적분-미분) 컨트롤러와 같은 정밀 제어 시스템은 보다 정밀한 위치 및 속도 제어를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.
기계 설계: 기어와 스핀들 시스템의 기계적 설계는 매우 중요합니다. 기어에 백래시나 유격이 있으면 부정확성이 발생할 수 있습니다.
구성품의 품질: 모터, 기어, 스핀들 구성품의 품질도 정밀도에 영향을 미칩니다. 일반적으로 부품의 품질이 높을수록 정밀도와 안정성이 향상됩니다.
피드백 시스템: 인코더나 센서와 같은 피드백 시스템을 추가하면 시스템의 위치와 속도에 대한 실시간 정보를 제공하여 조정 및 수정이 가능하므로 정밀도를 향상시킬 수 있습니다.
환경적 요인: 온도, 습도, 진동과 같은 환경적 요인도 정밀도에 영향을 미칠 수 있습니다.
오차 및 보정: 시간이 지나도 정밀도를 유지하려면 적절한 보정 및 유지 관리가 필수적입니다.

일반적으로 이러한 요소를 적절히 조합하면 기어 및 스핀들과 결합된 DC 모터는 로봇 공학, CNC 기계 및 자동화 시스템과 같은 다양한 애플리케이션에 적합한 높은 수준의 정밀도를 달성할 수 있습니다. 그러나 달성 가능한 정밀도는 궁극적으로 애플리케이션의 특정 요구 사항과 설계 및 구현 중에 이루어진 엔지니어링 트레이드오프에 따라 달라집니다.

모터 사이징은 시작에 불과합니다...

이 백서는 비교적 간단한 단일 축 선형 모션 애플리케이션을 위한 모터의 적절한 크기 조정에 중점을 두었습니다. X-Y 테이블이나 다축 정밀 픽 앤 플레이스 메커니즘과 같은 더 복잡한 시스템의 경우 원리는 동일하지만 각 축에 대한 부하를 독립적으로 분석해야 합니다. 이 문서의 범위를 벗어난 또 다른 고려 사항은 시스템의 원하는 수명(사이클 수)을 충족하기 위해 적절한 안전 계수를 선택하는 방법입니다. 시스템 수명은 모터 크기뿐만 아니라 기어박스 및 리드 스크류 어셈블리 등 시스템의 다른 기계적 요소도 영향을 미칩니다. 위치 정확도, 해상도, 반복성, 최대 롤, 피치, 요 등과 같은 다른 요소들도 모두 선형 모션 시스템이 애플리케이션 목표를 충족하거나 초과하도록 보장하기 위한 중요한 고려 사항입니다.

기어 및 스핀들과 결합된 DC 모터에서 정밀도를 달성하려면 다양한 요소를 고려해야 합니다. 여기에는 기어비, PID 컨트롤러와 같은 모터 제어 시스템, 기계 설계 품질, 부품 품질, 피드백 시스템, 환경 요인, 캘리브레이션 등이 포함됩니다. 이러한 요소를 적절히 조합하면 로봇 공학, CNC 기계 및 자동화 시스템에 적합한 높은 정밀도를 얻을 수 있습니다.

모터 사이징은 매우 중요하며 각 축의 부하를 독립적으로 분석해야 합니다. DC 스테퍼, DC 브러시 서보, DC 브러시리스 서보와 같은 다양한 모터 유형에는 장단점이 있으며 토크, 속도, 비용, 복잡성 등의 요인에 영향을 미칩니다.

선형 압전 모터를 사용한 다양한 DC 모터 비교

DC 스테퍼 모터

강점:

오픈 루프 포지셔닝 - 인코더가 필요하지 않습니다.
회전에 필요한 간단한 "펄스 및 방향" 신호입니다.
저속에서 높은 토크 밀도.
온도 등급을 초과하지 않고 '스톨' 위치에 있을 수 있습니다.
최저 비용 솔루션.

약점:

부하가 출력 토크를 초과하는 경우 위치 보정이 되지 않습니다.
낮은 전력 밀도 - 더 빠른 속도에서는 토크가 급격히 떨어집니다.
정지 상태에서도 연속적으로 전류를 끌어옵니다.
3000RPM 이상에서 높은 철분 손실.
저속에서 눈에 띄는 코깅 현상(마이크로 스테핑 드라이브로 개선 가능).
저속에서 울림(공명).

DC 브러시 서보 모터

강점:

스텝퍼와 비교한 선형 속도/토크 곡선입니다.
저비용 드라이브 전자 장치(전원 스위칭 장치 4개).
다양한 구성을 사용할 수 있습니다.
저속에서도 매우 부드러운 작동이 가능합니다.
높은 전력 밀도 - 스테퍼에 비해 더 높은 속도에서 더 평평한 토크를 제공합니다.

약점

모터는 과부하 상태에서 높은 전류를 소비합니다.
폐쇄 루프 포지셔닝에 필요한 인코더.
기계적 정류로 인해 속도가 제한됩니다.
브러시 마모.
높은 열 저항(구리가 전기자 회로에 있음).

DC 브러시리스 서보 모터

강점:

높은 전력 밀도 - 스테퍼에 비해 더 높은 속도에서 더 평평한 토크를 제공합니다.
스텝퍼와 비교한 선형 속도/토크 곡선입니다.
전자식 정류 - 기계식 브러시가 없습니다.
낮은 열 저항(구리가 고정자 회로에 있음).
스테퍼 또는 브러시 DC 모터와 비교했을 때 가장 빠른 속도입니다.

약점:

세 가지 모터 기술 중 가장 비용이 많이 듭니다.
모터는 과부하 상태에서 높은 전류를 소비합니다.
폐쇄 루프 포지셔닝에 필요한 인코더.
드라이브 복잡성 및 비용 증가(전원 스위칭 장치 6개).
전자 정류에 필요한 로터 위치 센서

선형 피에조 모터 - 강점과 약점

강화:

마이크로미터 이하 수준에서 매우 정밀한 포지셔닝이 가능합니다.
높은 응답 속도와 가속도.
백래시나 기계적인 플레이가 없습니다.
컴팩트한 크기와 가벼운 무게.
전자기 간섭이 없습니다.
진공 또는 클린룸 환경에서 작동할 수 있습니다.

약점:

제한된 힘 출력.
제한된 스트로크 길이.
상대적으로 높은 비용.
온도 변화에 민감합니다.
복잡한 드라이브 전자 장치와 제어 알고리즘이 필요합니다.
시간이 지남에 따라 마모되고 노화되기 쉽습니다.

리니어 모션 시스템의 전력 변환은 부하 요구 사항을 이해하는 것에서 시작하여 효율적인 움직임을 보장하기 위한 모터 전원 공급 장치 분석으로 이어집니다. 각 모터 유형은 뚜렷한 장단점을 제공하며, 선택은 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 달라집니다.