랙 앤 피니언이 장거리 축에서 볼 스크류 및 선형 모터를 이기는 이유

기어박스, 피니언, 랙 시스템은 관절형 로봇의 7축 또는 횡방향 이동을 제공합니다. (이미지: GAM.)

줄자를 몇 인치 빼면 날이 단단합니다. 계속 빼면 어느 순간부터 휘어지고 흔들리기 시작하고, 결국 좌굴됩니다. 이는 긴 이동 거리를 설계할 때 엔지니어들이 잘 아는 문제입니다.

기계에서 정밀한 직선 운동을 생성하는 세 가지 주요 방법은 랙 및 피니언, 볼 스크류, 리니어 모터입니다. 이번 기사에서는 랙 및 피니언이 최선의 선택인 경우와 다른 방식이 더 나은 경우를 살펴보겠습니다.

세 가지 기술 이해하기------------------------------------랙 및 피니언은 피니언이라고 불리는 회전 기어가 랙이라고 불리는 톱니 막대와 맞물리는 방식으로 작동합니다. 구성에 따라 랙이 움직이고 피니언이 고정되거나, 피니언 어셈블리가 고정된 랙을 따라 이동합니다.

볼 스크류는 비슷한 원리로 작동합니다. 이는 기본적으로 그 위를 이동하는 너트가 있는 정밀 나사산 막대입니다. 막대를 돌리면 너트가 선형으로 앞뒤로 이동하고, 너트를 고정하면 막대가 대신 이동합니다.

리니어 모터는 다른 접근 방식을 취합니다. 전동기를 분해하여 평평하게 펼친다고 상상해 보세요. 한 부분에는 영구 자석과 전자석이 고정되어 있고, 움직이는 부분에는 해당 자석이 있습니다. 서보 컨트롤러의 입력을 통해 자기 상호작용이 부하를 직선으로 이동시킵니다.

랙 및 피니언 vs 볼 스크류-------------------------------짧은 거리에서는 랙 및 피니언과 볼 스크류가 동일한 영역에서 경쟁하며, 실제로 볼 스크류는 더 높은 정밀도를 제공할 수 있습니다. 또한 기계의 레이아웃에 따라 특정 기계 설계에 더 쉽게 맞출 수 있는 방향일 수도 있습니다.

그러나 줄자와 마찬가지로 볼 스크류에도 길이(약 2~3미터)가 있으며, 이 길이는 스크류의 크기에 따라 문제가 발생합니다.

“볼 스크류로 긴 거리를 처리할 때 ‘휘핑(whip)’이라는 현상이 발생합니다.”라고 미국 기반 서보 기어 감속기 및 기타 모션 컨트롤 컴포넌트 제조업체 GAM의 수석 설계 엔지니어인 Matt Ruggles은 말합니다. “기본적으로 볼 스크줄이 줄넘기처럼 되어 시스템에 다양한 문제를 일으킬 수 있습니다: 조기 마모, 진동, 때로는 파국적인 고장.”

볼 스크류와 달리 랙 및 피니언은 길이에 대한 맞춤화가 매우 쉽습니다.

“장점은 랙 및 피니언이 기본적으로 무한히 확장할 수 있다는 것입니다.”라고 Ruggles은 말합니다. “랙의 일부를 더 짧게 자르거나 여러 개의 랙을 조립하여 훨씬 긴 이동 거리를 얻을 수 있습니다.”

랙 및 피니언 vs 리니어 모터---------------------------------리니어 모터에는 두 가지 주요 장점이 있습니다: 속도와 높은 정밀 제어입니다. 그러나 리니어 모터는 자기 플럭스에 의존하기 때문에 강성을 관리하기가 더 어려울 수 있습니다. 자석은 다른 복잡성도 도입합니다.

“설치를 진행하는 사람들의 주머니 속 열쇠가 자기화되는 경험을 해본 적이 있습니다.”라고 Ruggles은 말합니다. “갑자기 손목시계가 물건을 모으기 시작하면 매우 어색할 수 있습니다. 이는 그들이 작동하는 환경에 영향을 미칠 수 있으며, 이동하면서 칩과 기타 이물질을 모을 수 있습니다.”

두 기술 모두 긴 거리에 확장할 수 있지만, 리니어 모터를 연장하는 미터당 비용은 훨씬 높습니다. 관련된 영구 자석과 전자석은 랙 섹션을 추가하는 것에 비해 비쌉니다. 리니어 모터는 위치를 유지하기 위해 지속적인 전력이 필요하며, 전력 소비는 공급 힘의 양에 직접적으로 비례합니다.

반면, 랙 및 피니언은 자기화되지 않습니다. 백드라이브 힘으로 인해 모터가 멈추는 즉시 시스템이 위치를 유지하며, 내장된 모터 브레이크가 추가 전력 소모 없이 나머지 작업을 처리합니다. 구성 요소도 일반적으로 가격이 더 저렴합니다.

“랙 및 피니언과 일반적으로 기어박스, 모터를 구매해야 하지만, 그 결합 비용은 일반적으로 리니어 모터 구현보다 저렴합니다.”라고 Ruggles은 말합니다. “비용, 패키지 크기 및 전력 소비에 비해 훨씬 더 강성 높은 시스템과 훨씬 높은 공급 힘을 얻을 수 있습니다.”

랙 및 피니언에는 한 가지 단점이 있는 환경이 있습니다: 클린룸입니다. 기어 톱니는 제대로 작동하기 위해 윤활이 필요하므로 환경에 노출된 그리스로 인해 문제가 발생할 수 있습니다. 이는 커버, 씰 및 적절한 윤활제 선택으로 완화할 수 있지만 복잡성이 추가됩니다.

볼 스크류도 동일한 문제가 있지만, 벨로즈 및 유사한 솔루션으로 보호할 수 있습니다. 리니어 모터는 노출된 움직이는 부품이 없으므로 밀봉하거나 커버할 것이 없으므로 의료 또는 반도체 제조와 같은 클린룸 환경에 가장 적합합니다.

GAM은 체인으로 연결할 수 있는 표준 1미터 길이의 랙을 판매하며, 더 짧은 길이로 절단할 수도 있습니다. 긴 막대는 주문 제작으로 제공됩니다. 컴포넌트 선택을 검토하는 엔지니어를 위해 GAM의 팀은 각 응용 프로그램의 요구 사항을 충족하기 위한 올바른 컴포넌트와 수량을 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

“이는 투입한 만큼 얻는 것입니다.”라고 Ruggles은 말합니다. “시간을 들여 정밀하고 신중하게 설치하면 매우 잘 작동하는 랙 및 피니언, 볼 스크류 등을 얻을 수 있습니다. 무작정 조립하면 문제가 발생할 수 있습니다.”

랙 및 피니언에 대해 더 자세히 알아보려면 GAM을 방문하세요.