선형단계

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선형 단계 또는 번역 단계는 물체를 하나의 움직임 축으로 제한하는 데 사용되는 정밀한 움직임 시스템의 구성요소다.기술적으로 "선형 슬라이드"는 선형 단계의 구성요소일 뿐이지만, 선형 슬라이드라는 용어는 종종 "선형 단계"와 상호 교환하여 사용된다.모든 선형 단계는 플랫폼과 베이스로 구성되며, 플랫폼이 베이스에 대해 선형 운동으로 제한되는 방식으로 어떤 형태의 가이드 또는 선형 베어링에 의해 결합된다.공통적으로, 선형 단계라는 용어는 플랫폼의 위치가 베이스에 상대적으로 제어되는 메커니즘을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.

작동 원리

3차원 공간에서 물체는 세 개의 축을 따라 회전하거나 번역할 수 있다.따라서 그 물체는 6도 자유도(3회전 3회, 번역 3회)를 가지고 있다고 한다.선형 단계는 자유도가 1도(한 축을 따라 변환)밖에 보이지 않는다.즉, 선형 단계는 회전 3축과 번역 2축을 물리적으로 제한하여 하나의 변환 축에서만 움직임이 가능하도록 하여 작동한다.

가이드 유형

선형 단계는 기지를 기준으로 이동하는 플랫폼으로 구성된다.플랫폼과 베이스는 플랫폼의 움직임을 단 하나의 차원으로 제한하는 어떤 형태의 가이드에 의해 결합된다.각각 장점과 단점이 있는 다양한 유형의 가이드가 사용되며, 각 가이드 유형은 다른 가이드보다 일부 애플리케이션에 더 적합하다.

롤러스

혜택들

비싸지 않다.

단점

낮은 부하 용량, 낮은 정확도, 짧은 수명.

적용들

광학 실험실 스테이지, 서랍 슬라이드.

재순환 볼 베어링

혜택들

무제한 여행, 비교적 저렴한 가격.

단점

낮은 부하 용량, 빠른 마모, 베어링 재순환 시 위치 고정 부하 진동

적용들

굴곡

혜택들

뛰어난 정확성, 백래시 없음, 마모 없음(무한 수명)

단점

짧은 이동(굴곡 범위에 따라 제한됨), 낮은 부하 용량, 비싼 비용.

적용들

광섬유 정렬.

원통 슬리브

혜택들

대용량, 무제한 여행, 저렴한 가격.

단점

벤딩 모멘트가 있는 경우 바인딩에 취약함

적용들

방사형 암 톱, 스캐너, 프린터

도브테일

혜택들

최대 적재 용량, 무제한 이동, 긴 수명, 저렴한 비용.

단점

높은 위치 고정력이 필요하며, 벤딩 모멘트가 있을 경우 바인딩되기 쉽고, 백래시가 높음.

적용들

기계 공장 장비(예: 밀 및 선반 테이블).

위치 제어 방법

고정 베이스에 상대적인 이동 플랫폼의 위치는 일반적으로 수동, 전동 또는 유압/공압 등 어떤 형태의 선형 액추에이터에 의해 제어된다.가장 일반적인 방법은 플랫폼의 리드 너트를 통과하는 리드 스크루를 통합하는 것이다.이러한 리드 스크루의 회전은 수동으로 또는 모터로 제어될 수 있다.

수동

수동 선형 단계에서는 일반적으로 리드 스크루에 부착된 제어 노브가 사용된다.손잡이는 각도 위치를 표시하도록 색인을 지정할 수 있다.스테이지의 선형 변위는 리드 스크루 피치에 의한 노브의 각도 변위와 관련이 있다.예를 들어 리드 스크루 피치가 0.5mm일 경우 노브의 한 전체 회전은 스테이지 베이스에 비례하여 스테이지 플랫폼을 0.5mm 이동시킨다.노브의 원주 둘레에 50개의 인덱스 마크가 있는 경우, 각 인덱스 분할은 스테이지 플랫폼의 0.01mm 선형 운동과 동일하다.

광학기에 사용되는 것과 같은 정밀 단계는 납 나사를 사용하지 않고, 대신 무대 플랫폼에서 경화된 금속 패드를 누르는 미세 피치 나사나 마이크로미터를 사용한다.나사 또는 마이크로미터를 돌리면 플랫폼이 앞으로 밀린다.스프링은 플랫폼이 액추에이터와 접촉하도록 복원력을 제공한다.이것은 무대의 더 정확한 움직임을 제공한다.수직으로 장착하도록 설계된 단계에서는 작동기가 이동식 플랫폼에 부착되고 그 끝이 고정된 베이스의 금속 패드에 놓이는 약간 다른 배치를 사용한다.이를 통해 플랫폼의 무게와 그 부하가 스프링이 아닌 액추에이터에 의해 지지될 수 있다.

스테퍼 모터

일부 자동화된 단계에서 스테퍼 모터를 수동 노브 대신 또는 추가로 사용할 수 있다.스테퍼 모터는 스텝이라고 불리는 고정된 증분으로 움직인다.이런 의미에서 그것은 인덱스 노브와 매우 비슷하게 동작한다.리드 스크루 피치가 0.5mm이고 스테퍼 모터가 회전당 200단계를 갖는 경우(일반적인 경우) 모터의 각 회전은 스테이지 플랫폼의 0.5mm 선형 운동을 초래하며 각 스텝은 0.0025mm 선형 운동을 초래한다.

인코더가 있는 DC 모터

다른 자동화된 단계에서는 수동 제어 노브 대신 DC 모터를 사용할 수 있다.DC 모터는 일정한 증분으로 움직이지 않는다.따라서 스테이지 위치를 결정하기 위해서는 대체 수단이 필요하다.스케일과 관련된 스테이지의 위치를 측정하고 이를 모터 제어기에 보고하기 위해 스테이지의 내부와 인코더에 스케일을 부착할 수 있어 모션 컨트롤러가 스테이지를 안정적이고 반복적으로 세팅 위치로 이동할 수 있다.

다중 축 단계 구성

둘 이상의 방향에서 위치 제어를 위해 여러 개의 선형 단계를 함께 사용할 수 있다."2축" 또는 "X-Y" 단계는 두 개의 선형 단계로부터 조립할 수 있으며, 하나는 두 번째 단계의 운동 축이 첫 번째 단계와 수직이 되도록 다른 한 단계의 플랫폼에 탑재된다.많은 사람들이 친숙한 2축 단계는 현미경 단계로, 렌즈 밑에 미끄럼틀을 놓는데 사용된다."3축" 또는 "X-Y-Z" 단계는 모든 단계의 운동 축이 직교하도록 서로 장착되는 3개의 선형 단계(흔히 추가 각도 브래킷을 사용함)로 구성된다.일부 2축과 3축 단계는 별도의 단일축 단계에서 조립하는 것이 아니라 통합 설계다.일부 다축 단계에는 회전 단계나 위치 측정기와 같은 회전 또는 틸트 요소도 포함된다.선형 원소와 회전 원소를 다양하게 조합해 4축, 5축, 6축 단계도 가능하다.선형 단계는 고속, 고 정밀도 및 고력을 조합해야 하는 애플리케이션에서 고성능 위치결정 시스템의 고급 형태를 취한다.

변형

선형 슬라이드, 나노 선형 단계, 나노 포지셔닝 선형 단계, 초정밀 가공 선형 단계

참조