서보 구동 막대 축 사이징 및 선택 가이드

서보 구동 로드 축은 한 가지 헤드라인 힘이나 속도 번호가 아닌 전체 모션 시스템으로 선택해야 합니다. 실제 순서는 기계 요구 사항을 정의하고, 최악의 축 방향 힘을 계산하고, 전체 모션 및 작동 프로파일을 구축하고, 스트로크 및 설치된 기하학을 설정하고, 나사 및 리드를 선택하고, 장거리 메커니즘을 점검하고, 모터/드라이브/피드백 패키지를 크기 조정한 다음 기계에서 실제 주기를 검증하는 것입니다.

핵심 규칙은: 최종 구성은 동일한 작동 지점에서 모든 관련 한계를 충족해야 합니다. 최대 추력 값, 최대 이동 속도, 최대 스트로크 및 최대 작동 능력은 구성 수준 데이터가 그렇다고 말하지 않는 한 동시에 사용 가능하다고 가정해서는 안 됩니다.

크기 조정 전에 필요한 것

유용한 크기 조정 연습은 카탈로그가 아닌 응용 프로그램에서 시작합니다. 최악의 경우 운영 값을 기록하십시오. 여기에는 가장 높은 힘을 생성하는 프로세스 이벤트와 가장 높은 열 수요를 생성하는 사이클의 일부가 포함됩니다.

이 정보가 불완전하면 다음을 사용하세요 사이징 리소스 하드웨어를 비교하기 전에 요구 사항을 정리합니다.

기계 요구 사항에서 선택을 시작한 후 사용 가능한 설치 공간에 맞춰 물리적 패키지를 확인하십시오.

1단계: 최악의 축 방향 힘 계산

직선 이동 축의 경우 필요한 축 방향 힘은 다음과 같이 정리할 수 있습니다:

F_axis = F_process + F_friction + F_gravity + F_acceleration + F_other

이동하는 질량(m)의 경우:

F_acceleration = m × a

수평선 위의 각도 θ로 기울어진 축의 경우:

F_gravity = m × g × sin(θ)

따라서 수직 리프팅 축은 전체 중력 항(mg)을 포함합니다. 수평으로 안내된 축은 이동 방향에서 중력 힘이 거의 없을 수 있지만 여전히 안내 마찰, 공정력 및 가속 수요를 가질 수 있습니다.

이 방정식은 시작 모델일 뿐이며, 메커니즘을 이해하는 것을 대체할 수 없습니다. 링크, 캠, 피벗 및 변하는 레버 암은 스트로크의 한 점에서 최악의 힘을 생성할 수 있습니다. 기계가 이미 존재하는 경우, 측정된 힘이나 압력 데이터는 대략적인 이름판 추정보다 더 유용할 수 있습니다.

정지, 최대 및 지속적인 수요를 분리합니다

요구 사항을 하나의 힘 숫자로 줄이지 마십시오.

정지 또는 정적 수요 축이 가속되지 않을 때 필요한 힘을 설명합니다. 최대 수요 가속 또는 짧은 공정 이벤트 동안 발생할 수 있습니다. 지속적인 수요 전체 운동 사이클 및 열 한계에 의해 지배됩니다.

서보 사이징의 경우 짧은 고강도 이벤트는 평균 사이클이 훨씬 낮게 유지되는 한 허용될 수 있습니다. 그 반대도 가능합니다: 거의 지속적으로 반복되는 적당한 하중이 최대 용량이 충분해 보이더라도 열 문제를 일으킬 수 있습니다.

그래서 힘은 시간과 함께 평가해야 합니다.

2단계: 전체 동작 및 의무 프로필 구축

주기를 실제 세그먼트로 작성하십시오:

이동 → 대기 → 프로세스 이벤트 → 되돌아가기 → 대기

각 세그먼트에 대해 힘, 속도, 가속도 및 지속 시간을 정의하십시오. 그런 다음 다음을 식별하십시오:

• 가장 높은 순간 축력;
• 가장 높은 직선 속도;
• 주기 시간을 충족하기 위해 필요한 가속도 및 감속;
• 전체 주기에 대한 평균 또는 동등한 수요;
• 축이 높은 힘을 유지하는 시간;
• 냉각을 위해 사용할 수 있는 대기 시간이 얼마인지.

짧은 이동은 삼각형일 수 있으며, 이는 축이 일정 속도 구간에 도달하기 전에 감속되기 시작함을 의미합니다. 긴 이동은 사다리꼴 또는 S자 곡선 프로필을 사용할 수 있습니다. 정확한 경로가 중요합니다. 왜냐하면 가속도가 힘에 기여하고 모터 및 드라이브는 각 세그먼트 동안 필요한 토크/전류를 생성해야 하기 때문입니다.

일반적인 크기 지정 실수는 여행 거리와 총 사이클 시간을 나누어 설계 속도를 계산하는 것입니다. 이는 사이클에 가속, 감속 및 대기가 포함되어 있을 때 필요한 최고 속도를 상당히 과소 평가할 수 있습니다.

최대 능력은 지속적인 능력이 아닙니다.

서보 모터, 드라이브 및 스크류 메커니즘은 일반적으로 별도의 짧은 시간 및 지속적인 작동 영역을 갖습니다. 따라서 전체 주기는 다음 두 질문을 통과해야 합니다:

1. 시스템이 짧은 피크 힘과 속도를 제공할 수 있습니까?
2. 연속 전류, 토크, 스크류, 베어링 또는 열 한계를 초과하지 않고 사이클을 반복할 수 있습니까?

어느 하나의 검증이 다른 것을 대체하지 않습니다.

3단계: 스트로크, 설치 길이 및 장착 설정

필요한 이동은 필요한 설치 공간과 같지 않습니다.

유용한 기계 이동부터 시작한 다음, 끝 여유, 기준 동작, 공구 여유 및 서비스 위치를 고려하십시오. 다음으로 전체 물리적 패키지를 점검하십시오:

• 수축된 본체 길이;
• 필요한 스트로크;
• 로드 엔드 하드웨어;
• 전면 플랜지, 클레비스, 다리 또는 트러니언 장착;
• 모터 및 제동장치;
• 사용하는 경우 기어박스 또는 평행 드라이브;
• 커넥터 및 케이블 간격;
• 조립 및 유지보수를 위한 접근이 필요합니다.

병렬 모터 배치는 축 방향 패키지를 단축시킬 수 있지만, 다른 기계적 배치를 도입합니다. 직접 모터 배치는 더 간단할 수 있지만 길어질 수 있습니다. 주변 기계 프레임이 확정되기 전에 CAD 검토가 이루어져야 합니다.

사용 가능한 도면은 CAD 및 데이터 시트 라이브러리 를 사용하여 제품 사진에서 패키지 길이를 추정하지 마십시오.

필요한 이동 거리는 기하학적 검사의 한 부분일 뿐입니다. 본체 길이, 장착 하드웨어, 모터 패키지 및 서비스 클리어런스도 중요합니다.

장착은 패키지뿐만 아니라 기계성에도 영향을 미칩니다.

긴 스트로크와 압축 하중은 지지 조건에 대한 민감도를 증가시킵니다. 회전 장착과 경직 장착은 서로 다른 유효 끝 조건을 생성하므로 장착 방법은 기계적 크기 조정 프로세스의 일부입니다.

정렬도 중요합니다. 막대형 모션 축은 본질적으로 축 방향 힘을 전달하기 위해 설계되었습니다. 도구가 횡 방향 하중, 편심 하중 또는 전도 모멘트를 생성하는 경우 적절한 외부 안내를 제공하거나 이러한 하중을 수용하도록 설계된 안내 구조를 사용하십시오.

비정렬된 기계 구조를 보상하기 위해 로드 끝을 사용하지 마십시오.

4단계: 나사 기술 및 리드 선택

나사 선택은 힘, 속도, 효율성, 작동 주기, 수명, 강성, 백드라이버 가능성, 비용 및 유지보수 간의 시스템 트레이드오프입니다.

올바른 선택은 작동 지점에 따라 다릅니다. 낮은 속도에서 매력적으로 보이는 나사 기술이 빠르고 고주기 프로필에는 최선의 선택이 아닐 수 있습니다.

스크류 리드는 선형 속도와 모터 속도를 연결합니다.

스크류 리드(P)와 선형 속도(v)에 대해 스크류 회전 속도를 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

n_screw = 60 × v / P

단, v와 P는 일관된 단위를 사용해야 합니다.

더 큰 리드는 회전당 더 많은 선형 이동을 제공하여 주어진 선형 속도에 대해 스크류의 rpm을 줄입니다. 또한 기계적 이점을 줄이므로 동일한 축 방향 힘을 위해 모터가 더 많은 토크가 필요할 수 있습니다. 더 작은 리드는 기계적 이점을 증가시키지만 동일한 선형 속도에 도달하기 위해 더 많은 스크류 rpm이 필요합니다.

따라서 최종 리드는 다음 두 가지를 모두 충족해야 합니다. 힘 요구 사항 및 속도 요구 사항 허용 가능한 모터 작동 지점.

직접 스크류 드라이브의 경우, 유용한 일차 토크 관계는 다음과 같습니다:

T_screw ≈ F × P / (2π × 효율)

여기서 F는 축 방향 힘, P는 스크류 리드, 효율은 스크류 전송의 기계적 효율입니다. 이는 로드 토크 항만을 포함하며, 가속도 토크, 회전 관성, 기어링 및 손실도 서보 계산에 포함되어야 합니다.

5단계: 긴 스트로크 기계 및 가이드를 점검합니다.

모터는 충분한 토크를 가질 수 있지만 기계 전송이 이미 안전 작동 영역을 벗어날 수 있습니다.

스트로크와 비지지 길이가 증가함에 따라 두 가지 점검이 특히 중요해집니다.

압축 하중에 의한 좌굴

긴 스크류 또는 추력 부재는 압축 하중 아래에서 불안정해질 수 있습니다. 좌굴 능력은 지지되지 않는 길이, 뿌리 직경, 강성 및 끝 지지 조건에 따라 달라집니다. 이상적인 오일러 관계는 지지되지 않는 길이가 증가함에 따라 허용 압축이 급격히 감소하는 이유를 보여줍니다:

F_cr = π² × E × I / (K × L)²

이 관계를 사용하여 물리학을 이해하되, 최종 설계를 위해 선택한 구성의 승인된 좌굴 데이터를 사용하십시오. 장착 조건과 실제 지지 기하학이 중요합니다.

중요한 스크류 속도

회전 나사에는 또한 중요한 속도 한계가 있습니다. 주어진 지지되지 않은 길이에서 과도한 rpm은 휘청거림, 진동, 소음 및 마모를 가속화할 수 있습니다. 따라서 긴 스트로크는 모터 토크가 충분하더라도 기계적으로 속도에 제한을 받게 될 수 있습니다.

최종 선택은 독립적으로 통과해야 합니다:

• 축 방향 힘;
• 나사 속도;
• 좌굴;
• 나사/베어링 수명;
• 측면 하중 또는 모멘트 한계;
• 열/작업 제약.

일반적인 안전 여유는 이러한 개별 엔지니어링 검사를 대체할 수 없습니다.

6단계: 모터, 드라이브 및 피드백을 하나의 시스템으로 크기 조정

기계적 작동 지점이 정의되면 서보 패키지를 크기 조정할 수 있습니다.

모터 검사

모터는 다음을 충족해야 합니다:

• 필요한 나사 rpm;
• 가속 및 프로세스 이벤트 동안의 최대 토크;
• 전체 주기 동안의 연속/RMS 토크;
• 반사 하중 및 전송 관성;
• 해당되는 경우 브레이크 요구 사항;
• 주변 및 열 조건.

정격 전력만으로 모터를 선택하지 마십시오. 유사한 전력 등급을 가진 두 개의 모터는 매우 다른 토크-속도 곡선 및 최대 능력을 가질 수 있습니다.

드라이브 검사

드라이브는 모터 및 응용 프로그램과 전기적 및 기능적으로 호환되어야 합니다. 다음을 확인하십시오:

• 지속 전류 및 피크 전류;
• 전원/버스 전압;
• 재생 에너지 처리;
• 피드백 프로토콜;
• 통신 인터페이스;
• 위치, 속도 및 토크/전류 작동 모드;
• 필요한 안전 기능;
• 브레이크 제어 및 타이밍 사용 시.

피드백 검사

작업이 나사, 커플링 및 구조적 오류를 견딜 수 있을 때 모터 피드백이 충분할 수 있습니다. 최종 작업물의 위치를 모터와 독립적으로 측정해야 하는 경우 선형 스케일과 같은 하중 측면 피드백을 고려하십시오. 프로세스 힘이 중요한 경우, 모터 전류로만 힘을 추정하는 것보다 보정된 힘 센서가 더 적절할 수 있습니다.

모션 구성 요소 간의 호환성 검토가 필요한 시스템의 경우, 제품 선택기 및 기술 문서.

기계적 전송, 모터, 드라이브, 피드백 및 장착 한계는 독립적인 카탈로그 최대값이 아닌 하나의 구성으로 확인해야 합니다.

7단계: 환경, 수직 유지 및 커미셔닝 확인

작동 환경은 기술적으로 올바른 선택을 부적합한 것으로 바꿀 수 있습니다. 전체 조립을 위한 온도, 오염, 습기, 케이블 유연성, 화학 노출, 윤활 요구 사항 및 유지 보수 접근을 확인하십시오.

인클로저 등급은 모든 세척액, 부식성 화학 물질 또는 침수 조건에 대한 자동 승인을 처리해서는 안 됩니다. 환경 적합성은 구성에 따라 다릅니다.

수직 축은 정의된 전력 손실 전략이 필요합니다.

백드라이브 가능한 전달 장치는 모터 토크가 사라질 때 수직 하중이 이동하도록 할 수 있습니다. 따라서 기계 설계에는 의도적인 유지 및 안전 전략이 필요합니다. 위험 평가에 따라 스프링 적용 브레이크, 카운터밸런스, 기계적 제한, 안전 구동 기능 또는 기타 조치를 포함할 수 있습니다.

모터 브레이크가 자동으로 전체 인원 안전 구조로 간주되어서는 안 됩니다. 전력 손실, 구동 결함, 비상 정지 및 유지 보수 중에 하중이 무엇을 해야 하는지 정의하십시오.

점진적으로 커미셔닝하십시오.

새로운 축을 처음으로 전체 속도 및 하중에서 커미셔닝하지 마십시오. 실용적인 순서는 다음과 같습니다:

1. 장착, 패스너, 안내, 로드 끝 자유도 및 케이블 경로를 점검하십시오.
2. 감소된 속도와 가속도로 필요한 이동을 수행하십시오.
3. 피드백 방향, 스케일링, 홈 위치 및 한계를 확인하십시오.
4. 브레이크 및 안전 동작을 검증하십시오.
5. 실제 프로세스 부하를 늘리기 전에 낮은 부하에서 조정하십시오.
6. 실제 생산 모션 프로필을 실행하십시오.
7. 전류, 온도, 추적 오류, 사이클 시간 및 프로세스 성능을 기록하십시오.
8. 단지 몇 회의 성공적인 사이클이 아닌 실제 열 부담을 평가하기 위해 충분히 오래 계속하십시오.

측정된 전류, 온도 또는 추적 오류가 예측보다 훨씬 높으면 단순히 제어 이득을 증가시키기 전에 정렬, 마찰, 하중 가정 및 모션 프로필을 조사하십시오.

실용적인 선택 워크시트

구성을 최종 결정하기 전에 공급업체 또는 응용 엔지니어에게 이 이관 표를 사용하십시오.

표준 산업 애플리케이션의 경우, 제품군 개요 다음 비교 단계가 될 수 있습니다. 추진력, 스트로크, 장착 또는 통합 요구 사항이 표준 구성에서 벗어날 경우, 바로 맞춤형 모션 엔지니어링.

일반적인 사이징 실수

가장 비싼 실수는 일반적으로 제약 조건을 건너뛰면서 발생하며, 어려운 계산을 하는 것에서 발생하지 않습니다. 다음 패턴을 주의하세요:

• 가속도와 프로세스 힘을 무시하고 정적인 무게에서 선택;
• 최대 용량만 사용하고 지속적인 열 요구를 무시;
• 최대 추진력과 최대 속도를 함께 사용할 수 있다고 가정;
• 총 설치 길이를 확인하지 않고 스트로크를 선택;
• 긴 스트로크의 좌굴 또는 나사 중요 속도를 무시;
• 도구 측면 하중이 로드를 통해 안내 없이 통과하도록 허용;
• 모터 RPM 및 토크를 확인하지 않고 나사 리드를 선택;
• 토크, 전류 및 피드백 호환성보다 와트로 모터/드라이브를 선택;
• 서보가 비활성화될 때 수직 하중이 안전하게 유지된다고 가정;
• 정렬 및 제한을 검증하기 전에 전체 속도로 조정;
• 일반적인 안전 계수를 구성별 엔지니어링 한계의 대체물로 취급.

자주 묻는 질문

최초 사이징 패스를 위한 최소한의 정보는 무엇입니까?

최소한 이동 질량 또는 프로세스 힘, 사용 가능한 이동 거리, 목표 속도 또는 이동 시간, 방향, 전체 사이클 타이밍, 장착 방법 및 기본 제어 요구 사항을 제공해야 합니다. 최종 출시 전에 환경 및 수명 목표를 추가해야 합니다.

정적 고정 힘과 이동 힘의 차이는 무엇입니까?

정적 고정 힘은 비가속 조건을 설명합니다. 이동 힘은 프로세스 하중, 마찰, 중력 및 m × a 가속력에 해당합니다. 하중을 안전하게 지탱하는 시스템은 여전히 필요한 가속도 또는 사이클 속도에 비해 크기가 부족할 수 있습니다.

최대 추력이 충분하지 않은 이유는 무엇입니까?

최대 능력은 짧은 기간의 질문에 대답합니다. 반복 운동도 지속적인 모터, 드라이브, 나사, 베어링 및 열 한계가 있습니다. 최대 이벤트와 전체 작동 주기는 모두 통과해야 합니다.

나사 리드가 선택에 어떤 영향을 줍니까?

리드는 나사 한 회전당 선형 이동을 결정합니다. 더 큰 리드는 일반적으로 목표 선형 속도에 대해 필요한 나사 rpm을 줄이지만 기계적 이점을 감소시킵니다. 더 작은 리드는 기계적 이점을 증가시키지만 동일한 선형 속도를 위해 더 많은 rpm이 필요합니다.

긴 스트로크가 추가 검사를 요구하는 이유는 무엇입니까?

긴 지지되지 않은 길이는 압축 하에서 좌굴 용량을 감소시키고, 임계 속도 문제가 발생하기 전에 허용 가능한 나사 rpm을 낮출 수 있습니다. 설치된 공간 및 정렬도 더욱 요구됩니다.

로드 스타일 축이 측면 하중을 받을 수 있습니까?

축 방향 하중을 기본 설계 조건으로 간주합니다. 상당한 방사형 하중, 편심 하중 또는 모멘트를 위해 외부 안내 또는 안내 구조를 사용하고 선택한 구성의 정확한 허용 한계를 검증해야 합니다.

전력 손실 후 수직 축을 어떻게 고정해야 합니까?

기계 위험 평가를 통해 요구되는 안전 행동을 정의하십시오. 응용 프로그램에 따라 설계에는 브레이크, 카운터 밸런스, 기계적 제약, 안전 드라이브 기능 또는 조합이 필요할 수 있습니다. 결함이나 전력 손실 후에 능동적인 서보 토크가 지속될 것이라고 가정하지 마십시오.

최종 검증 중 측정해야 할 것은 무엇입니까?

원래의 크기 가정이 맞다는 것을 증명하는 변수를 측정하거나 기록합니다: 실제 사이클 시간, 전류/토크 요구, 온도, 후행 오차, 위치 반복성, 해당 프로세스 힘, 정지 또는 고장 시의 동작.

크기 결정 워크시트에서 엔지니어링 검토로

좋은 RFQ는 부품 번호로 시작하지 않습니다. 모션 요구 사항으로 시작합니다. 완성된 워크시트를 하중 경로, 장착 기하학 및 사용 가능한 외형의 도면과 함께 보내십시오. ServoCylMotion은 기존 구성이 적합한지 또는 요구 사항이 맞춤형 엔지니어링을 거쳐야 하는지를 검토할 수 있습니다.

참고문헌

• Kollmorgen — 전기 기계 축 선택 가이드
• Tolomatic — 유압에서 전기 기계로의 변환 및 크기 결정 가이드
• SKF — 고성능 액추에이터 엔지니어링 카탈로그
• Rockwell Automation — 설치 및 시운전 안내
• Machine Design — 서보 축 크기 개요

관련 엔지니어링 가이드: 전기 실린더 대 리니어 액추에이터; 볼 스크류 대 Acme 대 롤러 스크류; 서보 대 스테퍼 드라이브 선택; 전기 대 공압 대 유압 액추에이터.