스텝모터와 로드셀을 이용한 Z축 정밀 하중 제어 기술 : 실험용 리니어스테이지 설계제작

안녕하세요 대학교실험실, 기업부설연구소를 대상으로

맞춤형 실험장비 및 시제품을 맞춤제작하고 있는 에이비랩솔루션입니다.

 

https://blog.naver.com/ablab2016/223781602973

👉연구개발 실험장비 맞춤 설계/제작

 

---

1. 스텝모터(Step Motor) 개요

스텝모터는 전기적 펄스 신호에 따라 정해진 각도로 회전하는 모터로, 정밀한 위치 제어가 가능한 특징을 갖고 있습니다. 펄스 신호의 수에 따라 회전 각도 및 직선 이동거리(stroke)를 정밀하게 제어할 수 있으며, 별도의 피드백 없이도 비교적 높은 위치 정확도를 확보할 수 있습니다.

• 고정밀: 마이크로스테핑을 통해 더 높은 해상도 구현 가능.
• 신뢰성: 브러시가 없어 마모와 유지보수가 적음.
• 오픈 루프 제어: 피드백 시스템 없이도 간단한 설계 가능.

스텝모터의 구조

2. 로드셀(Load Cell) 개요

로드셀은 압력, 하중, 무게 등의 기계적 힘을 전기 신호로 변환하는 센서입니다. 주로 스트레인게이지(변형률게이지)를 기반으로 하며, 매우 미세한 하중 변화까지 감지할 수 있어 정밀 계측 시스템에 널리 사용됩니다.

• 고정확도: 미세한 힘 변화를 감지 가능.
• 다양성: 압축, 인장 등 다양한 구성으로 제공.
• 실시간 피드백: 동적 힘 제어 가능.

로드셀의 구조 및 작동원리

---

3. 스텝모터-로드셀 연동을 통한 Z축 하중 제어 기술

이 기술은 Z축 방향으로 이동 가능한 스텝모터를 이용하여 하중을 가하고, 그 하중을 로드셀이 실시간으로 측정하는 구조입니다. 사용자는 원하는 하중값(목표 하중)을 입력하면, 시스템은 스텝모터의 이동거리(stroke)를 조절하여 해당 하중이 로드셀에 정확하게 가해질 수 있도록 제어합니다.

• 입력값(Input): Z축 이동거리 또는 목표 하중값 (예: 5N)
• 출력값(Output): 실제 하중값 (로드셀 측정값)
• 제어방식: PID 혹은 룩업테이블 기반 하중 보정 알고리즘을 통해 정밀한 피드백 제어 가능
• 제어 메커니즘: 스탭모터가 Z축을 따라 플레이트를 이동시켜 로드셀에 힘을 가합니다. 로드셀은 실시간으로 하중을 측정하여 피드백을 제공하고, 컨트롤러는 이를 바탕으로 모터의 위치를 조정하여 목표 하중을 달성합니다. 이 클로즈드 루프 시스템은 높은 정밀도를 보장하며, 사용자가 원하는 하중 값(예: 10N, 50N)을 입력할 수 있도록 합니다.

스탭모터의 마이크로스테핑 기능은 서브마이크론 수준의 이동 해상도를 제공하며, 로드셀의 높은 감도는 정확한 힘 측정을 보장합니다. 이 시스템은 반도체 제조, 재료 시험, 정밀 조립 등 엄격한 하중 제어가 필요한 응용 분야에 적합합니다.

---

4. 확장 가능한 시스템 구성요소

🔁 하중 제어 시스템은 1차 하중을 받아 로드셀에 전달하는 플레이트를 포함하며, 이 플레이트에는 다음과 같은 추가 기능이 설계될 수 있습니다:

• 히팅 플레이트: 온도 제어가 필요한 공정(예: 반도체 웨이퍼 가공)에 사용.
• 진공척(Vacuum Chuck): 샘플을 고정하여 안정적인 하중 전달 가능.
• X/Y축 이동 제어: Z축 하중 제어와 함께 X/Y축으로의 이동을 통해 3차원 정밀 제어 구현.

이러한 구성 요소는 시스템의 유연성을 높여 다양한 산업 응용에 적합하도록 합니다.

이러한 요소를 통합함으로써 재료 테스트, 반도체 소자 평가, 미세 하중 환경 실험 등 다양한 연구 환경에 적용할 수 있습니다.

 

---

🔁 시스템 구성 플로우

 

[입력: Z축 이동 거리] → [스탭모터] → [Z축 이동 플레이트] → [1차 하중 전달]
                                                           ↓
                                                    [로드셀: 하중 측정]
                                                           ↓
                                                    [컨트롤러: 피드백]
                                                           ↓
                                        [스탭모터 위치 조정] ← [목표 하중 입력]

 

🔁  설명:

1. 사용자가 목표 하중과 Z축 이동 거리를 입력합니다.
2. 스탭모터가 플레이트를 Z축으로 이동시켜 하중을 전달합니다.
3. 로드셀이 실시간으로 하중을 측정하고 컨트롤러에 피드백을 제공합니다.
4. 컨트롤러는 피드백을 바탕으로 스탭모터의 위치를 미세 조정하여 목표 하중을 달성합니다.

---

📢 실험용 하중 제어 장치 / 리니어 스테이지 설계·제작

실험용 스탭모터와 로드셀 기반 하중 제어 시스템 맞춤설계제작 

 

• 당사는 스탭모터와 로드셀을 적용한 실험용 하중 제어 장치(리니어스테이지)를 맞춤제작하여 공급하고 있습니다.
• Z축 하중을 마이크론 수준의 정밀도로 제어할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
• 반도체 제조, 재료 시험, 정밀 조립 등 다양한 연구실험에서 요구되는 정밀한 하중 제어를 정확하고 구현합니다.

🔁 주요 특징:

• 초정밀 제어: 스탭모터의 마이크로스테핑과 로드셀의 고감도 피드백으로 목표 하중을 정확히 달성.
• 다양한 옵션: 히팅 플레이트, 진공척, X/Y축 이동 제어로 맞춤형 설계 가능.
• 사용자 친화적: 직관적인 인터페이스로 원하는 하중 값을 간단히 입력(프로그램제어 맞춤 설계)
• 견고한 설계: 리니어 스테이지 기반으로 안정성과 내구성 보장.

🔁 적용 사례:

• 반도체 웨이퍼 테스트
• 재료의 압축/인장 시험
• 정밀 부품 조립 공정
• 기타 실험실 연구분야

⚙️ 실험용 시스템 맞춤 설계제작 사례

연구용 Y/Z축 하중제어시스템 맞춤설계제작, Heating Plate, Vacuum Chuck 옵션적용(의뢰기관 : 서울대학교 ***LAB)

연구용 Y/Z축 하중제어시스템 맞춤설계제작, Heating Plate, Vacuum Chuck 옵션적용(의뢰기관 : 서울대학교 ***LAB)

 

Heating Plate, Vacuum Chuck을 적용한 1차 하중 Plate (의뢰기관 : 서울대학교 ***LAB)

연구실험용 로드셀 스텝모터 스테이지 맞춤설계 사례(고려대학교 ***LAB)

 

실험용 로드셀-스텝모터 적용 하중제어 모듈(의뢰기관 : 연세대학교 ***LAB) Sample Grip 옵션적용

 

📢 지금 문의하시면 로드셀/스텝모터를 적용한 하중제어 리니어 스테이지 설계 및 제작 서비스를 제공합니다.

 

참고문헌

1. Dorf, R. C., & Bishop, R. H. (2011). Modern Control Systems. Pearson Education.
2. Groover, M. P. (2015). Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing. Pearson Education.
3. Bolton, W. (2015). Mechatronics: Electronic Control Systems in Mechanical and Electrical Engineering. Pearson Education.
4. "Stepper Motor Basics." Texas Instruments Application Notes, 2020. https://www.ti.com
5. "Load Cell Technology and Applications." Omega Engineering Technical Reference, 2023. https://www.omega.com