모터 구동 선형 액추에이터: 정의 및 작동 원리

모터 구동 리니어 액추에이터는 전기력을 사용하여 제어된 직선 힘과 이동을 생성하는 전자기적 모션 유닛입니다. 일반적인 나사 구동 설계에서 모터는 기어링이나 커플링을 통해 나사를 회전시키고, 그러면 제약된 너트가 막대 또는 캐리지 한 축을 따라 이동합니다.

보다 폭넓은 엔지니어링 워크플로우에 대해서는 다음을 참조하십시오. 전기 액추에이터 선택 가이드.

전형적인 패키지형 리니어 모션 유닛은 모터, 전송장치, 하우징 및 이동 출력이 하나의 어셈블리에 결합되어 있습니다.

중요한 개념은 간단합니다: 모터가 시작할 때 회전, 반면 기계는 직선 이동이 필요합니다. 액추에이터의 기계적 전송장치가 이 두 가지 형태의 모션을 연결합니다.

핵심 요약

모터는 회전 토크를 생성합니다; 이는 전체 모션 서브시스템이 아닙니다.
기어박스 또는 커플링이 모터 회전을 기계적 전송장치로 전달합니다.
일반적인 나사 구동 설계에서 나사는 회전하고 제약된 너트는 그 축을 따라 이동합니다.
이동하는 너트는 막대 또는 캐리지를 구동하여 하중을 밀거나 당기고, 들어올리거나 내리거나 슬라이드하거나 위치시킵니다.
리미트 스위치는 일반적으로 이동의 끝점을 식별하며, 피드백 장치는 이러한 끝점 간의 위치 또는 속도 정보를 제공할 수 있습니다.
나사 구동이 일반적이지만, 벨트, 랙, 직접 구동 리니어 모터 및 기타 메커니즘도 직선 이동을 생성할 수 있습니다.

직선 모션이 생성되는 방법

나사 구동 메커니즘은 일곱 단계의 연쇄로 이해될 수 있습니다.

명령이 주어집니다. 스위치, 릴레이, PLC, 모션 컨트롤러 또는 기타 제어 장치가 이동을 요청합니다.
모터가 활성화됩니다. 드라이브 또는 스위칭 전자가 모터에 필요한 전류와 전압을 제공합니다.
모터는 회전 토크를 발생시킵니다. 그 샤프트가 회전하기 시작합니다.
회전은 전송장치로 전달됩니다. 기어박스는 속도를 줄이고 사용할 수 있는 토크를 증가시킬 수 있으며, 또는 커플링이 모터를 나사에 더 직접적으로 연결할 수 있습니다.
나사가 회전합니다. 나사선은 회전과 축 방향 이동 간의 기계적 관계를 생성합니다.
너트는 직선으로 이동합니다. 너트가 나사와 함께 회전하는 것을 방지하므로, 나사 축을 따라 이동하며 부착된 로드 또는 카트를 움직입니다.
모션이 정지하거나 반전됩니다. 명령, 종단 장치 또는 피드백 조건이 시스템에 정지, 유지 또는 반대 방향으로 이동할 때를 알려줍니다.

ServoCylMotion DG95는 볼 스크류 전송을 구동하는 서보 모터의 검증된 예입니다. 다른 선형 모션 설계는 다른 메커니즘을 사용할 수 있습니다.

ServoCylMotion의 로컬 제품 데이터는 이 아키텍처의 두 가지 첫 번째 사례를 제공합니다. DG52는 정밀 볼 스크류, 서보 모터 및 세 개의 자기/접근 스위치로 기록되어 있습니다. DG95는 서보 모터와 볼 스크류 전송, 그리고 세 개의 한계/홈 접근 센서로 기록되어 있습니다. 이러한 예는 검증된 구현을 보여줍니다; 이는 모든 선형 모션 설계가 같은 스크류, 모터 또는 센서 배열을 사용한다는 의미는 아닙니다.

각 구성 요소의 역할

각 블록이 명확한 역할을 가질 때, 메커니즘의 문제 해결 및 지정이 더 용이합니다.

구성 요소	주요 역할	자동으로 증명하지 않는 것
모터	전기 입력을 회전 토크 및 속도로 변환	최종 선형 힘, 이동 또는 정지 동작
기어박스	모터 속도와 가용 토크 조정	보편적인 힘 또는 속도 등급
커플링	정렬된 샤프트 간의 회전을 전달	기어박스가 필요하지 않다는 것
리드, 볼 또는 롤러 스크류	회전 입력을 축 방향 너트 이동으로 변환	각 설계가 스크류를 사용한다는 것
드라이브 너트	회전이 제한될 때 나사를 따라 이동	전체 시스템을 고려하지 않은 최종 정확도
로드 또는 카트	부하에 유용한 직선 출력을 전달	임의의 측면 하중을 운반할 수 있다는 것
하우징 및 베어링	내부 부품을 지원하고 정렬하며 보호	특정 환경 등급
한계 스위치	종점을 감지하거나 보호	지속적인 위치 측정
피드백 센서	센서 유형에 따라 모션 또는 위치 정보를 제공합니다.	폐쇄 루프 제어가 이미 구현되었다는 것
브레이크	샤프트 또는 하중을 포함하는 설계에서 고정할 수 있습니다.	전원이 제거될 때 모든 장치가 안전하게 유지됩니다.

유용한 기계적 관계는 다음과 같습니다. 스크류 리드는 스크류 회전당 명목적인 이동 거리를 정의합니다.. 모터 속도, 기어비, 스크류 리드, 효율성, 마찰, 하중 및 열 한계가 실제 움직임에 영향을 미칩니다. 이 관계는 메커니즘을 설명하며 모델 수준의 성능 데이터로 대체될 수 없습니다.

모터, 드라이브, 컨트롤러 및 액추에이터는 서로 다른 블록입니다.

이 용어들은 서로 다른 기능을 설명하지만 조달 논의에서 종종 혼합됩니다.

블록	주요 기능	일반적으로 답변하는 질문
전원 공급 장치	전기 에너지를 제공합니다.	필요한 전력이 사용 가능한가요?
컨트롤러	어떤 움직임이 일어나야 하는지를 결정합니다.	축이 어디서, 언제, 어떻게 움직여야 하나요?
드라이브 / 전력 전자 장치	모터에 전원을 조절하거나 스위치합니다.	모터를 어떻게 전원 공급해야 하나요?
모터	회전 토크와 속도를 생성합니다.	어떤 회전 입력이 사용 가능한가요?
기계적 액추에이터	해당 입력을 요구되는 출력 움직임으로 변환합니다.	하중이 직선으로 어떻게 움직이나요?
기계 구조 및 가이드	하중을 지지하고 물리적 경로를 제어합니다.	움직이는 하중은 어떻게 제약되고 정렬되나요?

상업용 제품은 이러한 블록 중 일부를 하나의 조립품으로 통합할 수 있습니다. 다른 제품은 모터, 드라이브, 컨트롤러, 피드백 또는 전원 공급 장치를 별도의 구성 요소로 노출합니다. B2B 통합의 경우 제품 라벨만으로는 충분하지 않으며, 인터페이스와 포함된 기능을 확인해야 합니다.

제어 하드웨어는 구동 시스템에 무엇을 해야 하는지를 알려줍니다. 모터와 기계적 전송 장치는 여전히 물리적 이동을 수행합니다.

방향이 어떻게 반전되는지

스크류 구동 장치를 확장하고 수축하려면 전송이 반대 방향으로 움직여야 합니다.

단순한 2선 DC 모터의 경우, 극성을 반전하면 모터 회전이 반전됩니다. 그러면 스크류가 반대 방향으로 회전하여 제약된 너트가 축을 따라 다시 이동합니다. 반전 스위치, 릴레이 배열 또는 모터 드라이버가 이 변화를 수행할 수 있습니다.

AC, 브러시리스, 스테퍼 및 서보 시스템은 일반적으로 간단한 두 선 극성 변경이 아닌 드라이브 전자 장치를 통해 방향을 전환합니다. 기계적 원리는 여전히 동일합니다: 모터 회전 방향을 반전시키면 선형 이동이 반전됩니다..

리미트 스위치와 위치 피드백은 동일한 것이 아닙니다.

엔드포인트 보호 및 위치 측정은 서로 다른 문제를 해결합니다.

장치	일반적인 정보	일반적인 역할
한계 스위치	여행 끝에 도달했습니다.	엔드포인트를 넘어서는 이동을 중지하거나 억제합니다.
홈/레퍼런스 센서	알려진 기준점이 감지되었습니다.	반복 가능한 기계 기준을 설정합니다.
포텐셔미터	여행 위치와 관련된 아날로그 신호	행정 동안 위치를 추정합니다.
홀 센서	디자인에 따라 자기 펄스 또는 위치 관련 정보	운동 계수 또는 피드백
모터 인코더	모터 샤프트 위치 및/또는 속도	폐쇄 루프 모터 제어 또는 유추된 축 위치
선형 인코더	직접 출력 축 위치	캐리지 또는 로드 위치를 보다 직접적으로 측정합니다.

모터 인코더와 선형 인코더는 반드시 교체 가능하지 않습니다. 시스템이 오직 모터 샤프트만 측정하면 그 측정 지점과 최종 하중 사이에 기계적 백래시나 유연성이 존재할 수 있습니다. 어떤 센서가 적절한지는 컨트롤러가 실제로 알고자 하는 것에 따라 다릅니다.

스크류 예제가 보편적이지 않은 이유

회전하는 나사와 변속 너트는 일반적인 구조를 형성하지만, 이는 선형 운동을 생성하는 한 가지 방법일 뿐입니다.

스크류 구동 시스템은 리드 스크류, 볼 스크류 또는 롤러 스크류를 사용할 수 있습니다.
벨트 구동 시스템은 풀리 회전을 캐리지 이동으로 변환합니다.
랙 앤 피니언 시스템은 피니언 회전을 랙을 따라 운동으로 변환합니다.
직접 구동 선형 모터 또는 보이스 코일 디자인은 먼저 회전 모터 운동을 스크류를 통해 변환하지 않고 선형 힘을 생성합니다.

적절한 구조는 응용 프로그램에 따라 달라지지만, 이러한 트레이드오프를 깊이 비교하는 것은 별도의 선택 작업에 속합니다. 이 정의 페이지의 핵심은 '액추에이터'라는 단어가 출력 작업을 설명하며, 필수적인 내부 메커니즘을 의미하지는 않는다는 것입니다.

제품 구조, 센싱 및 포함된 제어 기능은 정확한 구성 및 제어 문서에 따라 확인되어야 합니다.

ServoCylMotion의 선형 운동 제품군 은 다양한 제품 형태를 포함하므로, 정확한 전송, 센싱, 인터페이스 및 제어 요구 사항은 일반 도형에서 추정하기보다는 관련 모델 문서에서 확인해야 합니다.

피해야 할 다섯 가지 오해

1. '모터와 액추에이터는 동일한 구성 요소다.'

모터는 주로 회전 토크를 생성합니다. 선형 운동 서브시스템은 회전을 제어된 이동으로 전환하는 데 필요한 전송, 출력 하드웨어, 지지 구조, 그리고 때때로 피드백 또는 제한 장치를 추가합니다.

2. '모든 설계는 리드 스크류를 사용한다.'

아니요. 나사 구동 메커니즘은 일반적이지만, 벨트, 랙, 직접 구동 및 기타 구조도 존재합니다.

3. '제한 스위치가 정확한 위치를 알려준다.'

대개 그렇지 않습니다. 제한 스위치는 일반적으로 끝점을 나타냅니다. 지속적인 또는 중간 위치 정보는 적절한 피드백 방법을 필요로 합니다.

4. '전원이 제거되면 하중이 항상 제자리에 유지된다.'

유지 동작은 전송 기하학, 기어링, 마찰, 하중 방향, 브레이크 제공 및 기타 설계 세부 사항에 따라 달라집니다. 전원 꺼짐 상태에서의 유지 여부는 정확한 구성을 확인하여야 하며 가정되어서는 안 됩니다.

5. '출력 로드가 모든 측면 하중도 안내할 수 있다.'

로드 스타일 출력은 일반적으로 축 방향 밀어내기/당기기 힘을 전달하기 위해 설계됩니다. 기계가 측면 하중이나 모멘트를 가하는 경우, 안내 구성 및 허용 하중을 별도로 확인해야 합니다.

이것이 엔지니어 또는 기술 구매자에게 의미하는 바

기구 이해는 모델 비교 전에 이루어져야 합니다. 에너지-모션 체인이 명확해지면 다음 작업은 응용 프로그램의 요구 하중, 이동 거리, 적재 속도, 작업 주기, 장착 기하학, 환경, 제어 방법 및 피드백 동작을 정의하는 것입니다.

그 요구사항 세트는 이 정의 문서보다 선택 단계에 속합니다. 당신은 계속 진행할 수 있습니다. ServoCylMotion 엔지니어링 가이드 라이브러리 그리고 응용 프로그램 입력이 충분히 정의된 후에만 이동할 수 있습니다. 제품 선택기 only after the application inputs are sufficiently defined.