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설계자와 통합 담당자는 단순하고 유연하며 간단한 선형 구동이 필요할 때면 스테퍼 모터 선형 구동기(SMLAs, stepper motor linear actuators)로 전환합니다. SMLAs의 가장 큰 장점 중 하나는 다양한 구성이 가능하다는 점입니다. 하지만 경험이 많은 모션 엔지니어라고 해도 특정 응용 분야에 최적의 솔루션을 맞추기 위해 무수히 많은 구성 선택지를 살펴보는 것은 어려운 일일 수 있습니다. 각 SMLA 유형의 고유한 기능과 한계를 이해하면 SMLA이 갖는 광범위한 유연성의 이점을 잘 활용할 수 있습니다.

왜 SMLAs인가?

선형 구동에 SMLAs가 적합한 이유는 여러 가지이지만, 높은 수준의 커스터마이징이 가능하고 다양하게 구성을 설정할 수 있다는 점이 가장 큽니다. SMLAs은 효율적으로 설계되어 있기 때문에 각 응용 분야에 따라 수많은 모터, 리드 스크류 및 리드 너트 옵션을 고유하게 조립하여 구성할 수 있습니다.

스테퍼 모터가 인코더와 같은 외부 피드백 장치 없이도 기본적인 수준의 제어 기능을 제공하기 때문에 SMLAs이 널리 사용됩니다. 설계자는 드라이버나 컨트롤러에 대한 피드백 없이도 스테퍼 모터가 다양한 지점에서 정확한 위치로 이동하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 이를 통해 서보 기구, 브러시리스 DC 및 그 외 모터 옵션보다 전체적인 비용 및 복잡성을 낮출 수 있습니다.

스테퍼 모터와 리드 스크류가 성질상 갖는 호환성 역시 SMLA의 높은 구성 가능성에 도움이 됩니다. 특히 최적의 속도 범위, 하중 수용력 및 위치 정확도와 관련하여 이와 같은 호환성이 두드러집니다.

게다가 리드 스크류와 스테퍼 모터는 커스터마이징할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다. 예를 들어 리드 스크류는 최종 가공, 코팅, 정확도, 나사 형태 및 길이를 커스터마이징할 수 있고, 스테퍼 모터는 토크와 속도에 대해 모터 권선을 최적화하고 응용 분야별 케이블, 커넥터, 인코더 및 최종 캡 가공을 지정할 옵션을 선택할 수 있습니다. 스테퍼 모터와 리드 스크류를 통합하면 가능한 설계의 숫자가 극적으로 늘어나게 됩니다.

SMLA 유형

가능한 조합의 종류는 매우 많지만, SMLAs는 보통 세 가지의 유형 즉 회전 스크류 식, 회전 너트 식 및 망원경 식으로 구분하여 사용됩니다. (그림 1)

그림 1. SMLAs의 세 가지 유형(왼쪽부터 오른쪽으로 각 회전 스크류, 회전 너트 및 망원경 식)은 고유한 메커니즘을 갖고 있어 다양한 응용 분야에 최적화되어 있습니다.

각 SMLA 유형은 스테퍼 모터(1), 리드 스크류(2) 및 리드 너트(3)라는 동일한 일반 구성 요소로 이루어져 있습니다. 그러나 그림 2-4에서 보듯 너트의 역할에 따라 핵심 메커니즘이 달라집니다.

회전 스크류 구조 및 메커니즘

동력 리드 스크류, 외부 선형, 외부 너트 또는 변환 너트라고 알려진 회전 스크류 구성을 통해 설계 유연성과 커스터마이징을 극대화할 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 리드 스크류가 회전할 때 구동이 발생합니다. 리드 스크류와 함께 회전하지 않도록 적절히 눌러진 상태에서는 리드 너트가 리드 스크류의 나사산 길이에 따라 이동합니다.

그림 2. 회전 스크류 구성의 단면도.

 

회전 너트 구조 및 메커니즘

회전 너트 조립은 세 가지 구성 중 가장 작고 컴팩트한 설계를 가지고 있습니다. 이러한 설계를 통해 수축 길이 및 전체 길이가 가장 짧으면서도 구성 요소의 회전이 눈에 거의 보이지 않습니다. 이러한 유형의 구동기를 부르는 다른 이름은 동력 리드 너트, 비캡티브, 내부 너트 및 변환 스크류입니다.

회전 너트 SMLA의 메커니즘은 본질적으로 회전 스크류 구성의 정반대입니다. 모터를 구동하면 통합된 모터 샤프트 내부의 통합 리드 너트가 회전하고 화물에 부착된 리드 스크류가 모터 안밖으로 이동하도록 유도합니다.

그림 3. 회전 너트 구성의 단면도.

 

망원경 식 구조 및 메커니즘

망원경 식 유형 구동기는 대부분의 산업 응용 분야에서 볼 수 있는 전통적인 로드 유형 구동기처럼 작동하면서도 스테퍼 모터와 리드 스크류 기반 유닛의 구성 가능성을 이용할 수 있도록 고안되었습니다. 망원경 식 구동기의 중심에는 스플라인 내에서 리드 너트를 "캡처"하고 내부 부싱을 사용하여 측면 및 모멘트 하중 지원을 제공하는 추가 하우징 구성 요소가 있는 회전 스크류 구성이 있습니다. 이러한 구성의 경우 대부분 유도 및 지지 수단이 설계에 직접 통합되어 있기 때문에 외부 구성 요소가 필요하지 않습니다. 이러한 유형의 구동기를 부르는 다른 이름은 동력 리드 스크류 구동기, 캡티브, 전기 로드 및 전기 실린더입니다.

망원경 식 SMLA의 메커니즘은 회전 스크류 구성과 유사합니다. 핵심 차이점은 망원경 식 SMLA의 구성은 지지대 부싱이 있는 스플라인 커버 튜브 및 확장 튜브 형태로 유도 및 지지 수단 요소를 통합하여 외부 구성 요소 없이도 모션을 허용한다는 것입니다.

그림 4. 망원경 식 유형 구성의 단면도.

 

설치

세 가지 SMLA 구성 모두 설치 과정은 비슷합니다. 주로 모터를 장착하고, 필요한 경우 리드 스크류를 지지하고 화물을 부착하는 과정으로 이루어집니다. 핵심 차이점은 화물을 부착하는 위치와 화물을 지지하는 방법입니다. (그림 5) 회전 스크류 구성의 경우, 화물을 리드 너트에 부착하고, 베어링으로(길이가 긴 경우 부싱으로) 리드 스크류의 끝을 지지해야 합니다.

회전 너트 구성의 경우, 화물을 리드 스크류에 부착합니다. 망원경 식 구성의 경우, 화물을 확장 튜브의 말단 장착부에 부착합니다.

회전 스크류와 너트 구성은 모드 축방향 하중만 견디도록 되어 있으므로 적절하게 작동하기 위해선 선형 베어링과 가이드 레일 형태의 유도 및 지원이 필요합니다. 망원경 식 구동기의 경우 일반적으로 유도 및 지지 수단이 통합되어 있기 때문에, 많은 경우 선형 베어링과 가이드 레일을 이용할 필요가 없을 수 있습니다.

그림 5. 이 유체 펌프 적용 예시는 세 가지 SMLAs 모두에 대한 일반적인 장착 구성을 보여줍니다(왼쪽부터 오른쪽으로 각 회전 스크류, 회전 너트, 망원경 식).

응용 분야 별 크기 조정

SMLA은 커스터마이징 및 구성 가능성이 매우 높기 때문에 무궁무진한 분야에 응용하여 사용할 수 있습니다. 그림 6은 SMLA 응용 분야의 몇 가지 예시를 보여줍니다.

그림 6. SMLAs는 필요한 부품의 수를 줄여 다음과 같은 다양한 공간 활용 응용 분야에서 활용할 수 있습니다. (왼쪽부터 오른쪽으로) XY 스테이지(회전 스크류), 수평 위치 지정(회전 너트) 및 유체 피펫팅(망원경 식 및 회전 스크류).

특정 응용 분야를 위해 SMLA의 크기를 조정하려면, 모터, 리드 스크류 및 리드 너트의 한계를 이해하는 것이 중요합니다. 알맞은 작동과 최적의 수명을 보장하려면 이러한 핵심 부품의 크기가 적절해야 합니다. 다행히도 대부분의 제조업체에서는 이러한 구성 요소를 고려한 이론적인 성능 도표를 제공하므로, 구동기의 크기를 훨씬 쉽고 빠르게 결정할 수 있습니다. 도표는 대개 속도 대 하중 곡선의 형태를 취하며 모터, 스크류 및 너트 조합의 최적 작동 범위를 중요하게 다룹니다.

SMLAs 비교하기

SMLA를 이용하면 엔지니어가 특정 응용 분야의 요구 사항에 정확히 부합하는 솔루션을 사용할 수 있으며, 따라서 모듈식 모션 시스템 설계 접근 방식이 가능합니다. 세 가지 SMLAs 중 무엇이 가장 좋은지는 응용 분야별 여러 가지 요소에 달려 있습니다.

최대한의 커스터마이징을 원하거나 또는 정말 특별한 부품 조합을 원하는 사람들은 회전 스크류 구동기를 고려해야 합니다. 회전 스크류 설계는 가장 널리 이용되는 SMLA 유형으로 많은 엔지니어들이 회전 스크류 설계에 익숙합니다.

좀 더 컴팩트하고 단순한 구동기가 필요하고 백래시 방지 너트나 많은 인코더 옵션을 요하지 않는 응용 분야의 경우 회전 너트 설계가 더 적합할 수 있습니다. 엔지니어가 전통적인 로드 유형 구동기 설계를 선호하며, 해당 응용 분야가 통합 유도 및 지지 수단과 내장형 회전 방지 수단의 이점을 누리는 분야라면 망원경 식 설계를 고려해야 합니다. 또한 전체적인 부품 수를 줄여야 하는 경우에도 망원경 식 설계 구성을 고려할 가치가 있습니다. 망원경 식 설계 구성의 통합 유도/지지 부품 덕분에 외부 부품을 구입할 필요가 없어지기 때문입니다. 표 1은 각 SMLA 구성에 따른 일반적인 장점과 단점을 요약해서 보여주고 응용 분야의 몇 가지 예시를 제공합니다.

 SMLA 제조업체들은 설계자와 통합 담당자가 많은 옵션을 살펴 보고 자신의 응용 분야에 대한 솔루션을 빠르고 쉽게 구성할 수 있도록 온라인 툴을 제공하고 있습니다. 예를 들어 사용자가 성능상 특징, 3D 모델, 가격 및 리드 타임을 즉시 이용하면서 몇 분 만에 자신의 응용 분야에 적합한 SMLA를 알아볼 수 있는 온라인 선택 툴이 있습니다.

세 가지 주요 SMLA 유형의 설계, 메커니즘, 설치 및 크기 조정을 이해하면서 자동화된 선택 툴을 이용하면 모션 설계자와 통합 담당자는 응용 분야를 위한 최적의 선택을 할 수 있습니다.

설계자와 통합 담당자는 단순하고 유연하며 간단한 선형 구동이 필요할 때면 스테퍼 모터 선형 구동기(SMLAs, stepper motor linear actuators)로 전환합니다. SMLAs의 가장 큰 장점 중 하나는 다양한 구성이 가능하다는 점입니다. 하지만 경험이 많은 모션 엔지니어라고 해도 특정 응용 분야에 최적의 솔루션을 맞추기 위해 무수히 많은 구성 선택지를 살펴보는 것은 어려운 일일 수 있습니다. 각 SMLA 유형의 고유한 기능과 한계를 이해하면 SMLA이 갖는 광범위한 유연성의 이점을 잘 활용할 수 있습니다.

왜 SMLAs인가?

선형 구동에 SMLAs가 적합한 이유는 여러 가지이지만, 높은 수준의 커스터마이징이 가능하고 다양하게 구성을 설정할 수 있다는 점이 가장 큽니다. SMLAs은 효율적으로 설계되어 있기 때문에 각 응용 분야에 따라 수많은 모터, 리드 스크류 및 리드 너트 옵션을 고유하게 조립하여 구성할 수 있습니다.

스테퍼 모터가 인코더와 같은 외부 피드백 장치 없이도 기본적인 수준의 제어 기능을 제공하기 때문에 SMLAs이 널리 사용됩니다. 설계자는 드라이버나 컨트롤러에 대한 피드백 없이도 스테퍼 모터가 다양한 지점에서 정확한 위치로 이동하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 이를 통해 서보 기구, 브러시리스 DC 및 그 외 모터 옵션보다 전체적인 비용 및 복잡성을 낮출 수 있습니다.

스테퍼 모터와 리드 스크류가 성질상 갖는 호환성 역시 SMLA의 높은 구성 가능성에 도움이 됩니다. 특히 최적의 속도 범위, 하중 수용력 및 위치 정확도와 관련하여 이와 같은 호환성이 두드러집니다.

게다가 리드 스크류와 스테퍼 모터는 커스터마이징할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다. 예를 들어 리드 스크류는 최종 가공, 코팅, 정확도, 나사 형태 및 길이를 커스터마이징할 수 있고, 스테퍼 모터는 토크와 속도에 대해 모터 권선을 최적화하고 응용 분야별 케이블, 커넥터, 인코더 및 최종 캡 가공을 지정할 옵션을 선택할 수 있습니다. 스테퍼 모터와 리드 스크류를 통합하면 가능한 설계의 숫자가 극적으로 늘어나게 됩니다.

SMLA 유형

가능한 조합의 종류는 매우 많지만, SMLAs는 보통 세 가지의 유형 즉 회전 스크류 식, 회전 너트 식 및 망원경 식으로 구분하여 사용됩니다. (그림 1)

그림 1. SMLAs의 세 가지 유형(왼쪽부터 오른쪽으로 각 회전 스크류, 회전 너트 및 망원경 식)은 고유한 메커니즘을 갖고 있어 다양한 응용 분야에 최적화되어 있습니다.

각 SMLA 유형은 스테퍼 모터(1), 리드 스크류(2) 및 리드 너트(3)라는 동일한 일반 구성 요소로 이루어져 있습니다. 그러나 그림 2-4에서 보듯 너트의 역할에 따라 핵심 메커니즘이 달라집니다.

회전 스크류 구조 및 메커니즘

동력 리드 스크류, 외부 선형, 외부 너트 또는 변환 너트라고 알려진 회전 스크류 구성을 통해 설계 유연성과 커스터마이징을 극대화할 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 리드 스크류가 회전할 때 구동이 발생합니다. 리드 스크류와 함께 회전하지 않도록 적절히 눌러진 상태에서는 리드 너트가 리드 스크류의 나사산 길이에 따라 이동합니다.

그림 2. 회전 스크류 구성의 단면도.

 

회전 너트 구조 및 메커니즘

회전 너트 조립은 세 가지 구성 중 가장 작고 컴팩트한 설계를 가지고 있습니다. 이러한 설계를 통해 수축 길이 및 전체 길이가 가장 짧으면서도 구성 요소의 회전이 눈에 거의 보이지 않습니다. 이러한 유형의 구동기를 부르는 다른 이름은 동력 리드 너트, 비캡티브, 내부 너트 및 변환 스크류입니다.

회전 너트 SMLA의 메커니즘은 본질적으로 회전 스크류 구성의 정반대입니다. 모터를 구동하면 통합된 모터 샤프트 내부의 통합 리드 너트가 회전하고 화물에 부착된 리드 스크류가 모터 안밖으로 이동하도록 유도합니다.

그림 3. 회전 너트 구성의 단면도.

 

망원경 식 구조 및 메커니즘

망원경 식 유형 구동기는 대부분의 산업 응용 분야에서 볼 수 있는 전통적인 로드 유형 구동기처럼 작동하면서도 스테퍼 모터와 리드 스크류 기반 유닛의 구성 가능성을 이용할 수 있도록 고안되었습니다. 망원경 식 구동기의 중심에는 스플라인 내에서 리드 너트를 "캡처"하고 내부 부싱을 사용하여 측면 및 모멘트 하중 지원을 제공하는 추가 하우징 구성 요소가 있는 회전 스크류 구성이 있습니다. 이러한 구성의 경우 대부분 유도 및 지지 수단이 설계에 직접 통합되어 있기 때문에 외부 구성 요소가 필요하지 않습니다. 이러한 유형의 구동기를 부르는 다른 이름은 동력 리드 스크류 구동기, 캡티브, 전기 로드 및 전기 실린더입니다.

망원경 식 SMLA의 메커니즘은 회전 스크류 구성과 유사합니다. 핵심 차이점은 망원경 식 SMLA의 구성은 지지대 부싱이 있는 스플라인 커버 튜브 및 확장 튜브 형태로 유도 및 지지 수단 요소를 통합하여 외부 구성 요소 없이도 모션을 허용한다는 것입니다.

그림 4. 망원경 식 유형 구성의 단면도.

 

설치

세 가지 SMLA 구성 모두 설치 과정은 비슷합니다. 주로 모터를 장착하고, 필요한 경우 리드 스크류를 지지하고 화물을 부착하는 과정으로 이루어집니다. 핵심 차이점은 화물을 부착하는 위치와 화물을 지지하는 방법입니다. (그림 5) 회전 스크류 구성의 경우, 화물을 리드 너트에 부착하고, 베어링으로(길이가 긴 경우 부싱으로) 리드 스크류의 끝을 지지해야 합니다.

회전 너트 구성의 경우, 화물을 리드 스크류에 부착합니다. 망원경 식 구성의 경우, 화물을 확장 튜브의 말단 장착부에 부착합니다.

회전 스크류와 너트 구성은 모드 축방향 하중만 견디도록 되어 있으므로 적절하게 작동하기 위해선 선형 베어링과 가이드 레일 형태의 유도 및 지원이 필요합니다. 망원경 식 구동기의 경우 일반적으로 유도 및 지지 수단이 통합되어 있기 때문에, 많은 경우 선형 베어링과 가이드 레일을 이용할 필요가 없을 수 있습니다.

그림 5. 이 유체 펌프 적용 예시는 세 가지 SMLAs 모두에 대한 일반적인 장착 구성을 보여줍니다(왼쪽부터 오른쪽으로 각 회전 스크류, 회전 너트, 망원경 식).

응용 분야 별 크기 조정

SMLA은 커스터마이징 및 구성 가능성이 매우 높기 때문에 무궁무진한 분야에 응용하여 사용할 수 있습니다. 그림 6은 SMLA 응용 분야의 몇 가지 예시를 보여줍니다.

그림 6. SMLAs는 필요한 부품의 수를 줄여 다음과 같은 다양한 공간 활용 응용 분야에서 활용할 수 있습니다. (왼쪽부터 오른쪽으로) XY 스테이지(회전 스크류), 수평 위치 지정(회전 너트) 및 유체 피펫팅(망원경 식 및 회전 스크류).

특정 응용 분야를 위해 SMLA의 크기를 조정하려면, 모터, 리드 스크류 및 리드 너트의 한계를 이해하는 것이 중요합니다. 알맞은 작동과 최적의 수명을 보장하려면 이러한 핵심 부품의 크기가 적절해야 합니다. 다행히도 대부분의 제조업체에서는 이러한 구성 요소를 고려한 이론적인 성능 도표를 제공하므로, 구동기의 크기를 훨씬 쉽고 빠르게 결정할 수 있습니다. 도표는 대개 속도 대 하중 곡선의 형태를 취하며 모터, 스크류 및 너트 조합의 최적 작동 범위를 중요하게 다룹니다.

SMLAs 비교하기

SMLA를 이용하면 엔지니어가 특정 응용 분야의 요구 사항에 정확히 부합하는 솔루션을 사용할 수 있으며, 따라서 모듈식 모션 시스템 설계 접근 방식이 가능합니다. 세 가지 SMLAs 중 무엇이 가장 좋은지는 응용 분야별 여러 가지 요소에 달려 있습니다.

최대한의 커스터마이징을 원하거나 또는 정말 특별한 부품 조합을 원하는 사람들은 회전 스크류 구동기를 고려해야 합니다. 회전 스크류 설계는 가장 널리 이용되는 SMLA 유형으로 많은 엔지니어들이 회전 스크류 설계에 익숙합니다.

좀 더 컴팩트하고 단순한 구동기가 필요하고 백래시 방지 너트나 많은 인코더 옵션을 요하지 않는 응용 분야의 경우 회전 너트 설계가 더 적합할 수 있습니다. 엔지니어가 전통적인 로드 유형 구동기 설계를 선호하며, 해당 응용 분야가 통합 유도 및 지지 수단과 내장형 회전 방지 수단의 이점을 누리는 분야라면 망원경 식 설계를 고려해야 합니다. 또한 전체적인 부품 수를 줄여야 하는 경우에도 망원경 식 설계 구성을 고려할 가치가 있습니다. 망원경 식 설계 구성의 통합 유도/지지 부품 덕분에 외부 부품을 구입할 필요가 없어지기 때문입니다. 표 1은 각 SMLA 구성에 따른 일반적인 장점과 단점을 요약해서 보여주고 응용 분야의 몇 가지 예시를 제공합니다.

 SMLA 제조업체들은 설계자와 통합 담당자가 많은 옵션을 살펴 보고 자신의 응용 분야에 대한 솔루션을 빠르고 쉽게 구성할 수 있도록 온라인 툴을 제공하고 있습니다. 예를 들어 사용자가 성능상 특징, 3D 모델, 가격 및 리드 타임을 즉시 이용하면서 몇 분 만에 자신의 응용 분야에 적합한 SMLA를 알아볼 수 있는 온라인 선택 툴이 있습니다.

세 가지 주요 SMLA 유형의 설계, 메커니즘, 설치 및 크기 조정을 이해하면서 자동화된 선택 툴을 이용하면 모션 설계자와 통합 담당자는 응용 분야를 위한 최적의 선택을 할 수 있습니다.

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