3.7 조작기와 기계적 피드스루

연구 및 산업 생산의 많은 진공 공정은 표본 또는 구성품의 환기 지역으로의 이동을 요구합니다. 이것은 세 개 공간 축 방향에서 선형 위치 변경이 될 수 있고, 단일 이동 또는 서로 간의 이동 유형의 결합으로써 축 주위 회전이 될 수 있습니 다.

조작기와 기계적 피드스루는 진공에서의 평행이동 및 회전 을 허용하고, 이들의 구동은 대기 측면에 위치해 있고, 이동 은 진공 밀폐 방식으로 전달됩니다. 여러 가지 다른 작동 및 전송 원칙이 사용되며 각각의 진공 및 어플리케이션 조건을 따릅니다. 금속 멤브레인과 스프링 벨로우즈, 특수 탄성 중합 체 실, 자기 결합 시스템 또는 타동 펌프 실이 밀봉 요소로 사 용될 수 있습니다.

두 개의 개방된 플랜지 연결과 한 개의 개방된 통로를 가진 설계는 조작기라 불리고, 진공 밀폐 플랜지에 설치된 작동기 가 있는 구성품은 기계적 피드스루라 불립니다. 후자는 컴팩 트한 설계가 특징입니다. 조작기는 서로 결합되고 연장될 수 있습니다. 또한 기계적 피드스루는 조작기에 부착되어 다양 한 유형의 이동을 진공에 전달할 수 있고, 그와 함께 다양한 이동 작업에 솔루션을 제공할 수 있습니다. 또한 다른 피드스 루는 예를 들어 전기 또는 유체를 위한 유입구 플랜지에 부착 될 수 있고, 이런 피드스루는 조작기에 의해 직접 어플리케이 션으로 인도될 수 있습니다.

특히 명목 직경이 더 큰 조작기의 플랜지들은 대기 압력 때문 에 상당한 힘을 갖습니다. 플랜지가 진공 하에서 안정적이려 면 조작기 설계 시 플랜지의 내재된 강성이 강조되어야 합니 다. 특별한 설계 과제는 내장 구성품에 의한 외부 부하 및 다 른 부하에 따라 이동을 정확히 전달하는 것입니다. 내장 구성 품은 UHV 범위에서도 사용할 수 있도록 베이크 아웃될 수 있어야 합니다.

3.7.1 작동 원리

적합한 조작기 또는 기계적 실행을 선택할 때 사용자는 업무 의 적합성에 관한 기계적 매개변수를 평가할 수 있기 위하여 중요한 원리를 알아야 합니다.

3.7.1.1 격막 벨로우즈 밀봉 평행이동

멤브레인 벨로우즈는 함께 용접된 개별 판으로 만들어집니 다. 탄성률이 작기 때문에 축 방향 확장이 무척 유연합니다. 벨로우즈는 용접 밀봉 금속 인클로저이며, 가장 높은 UHV 요구조건에 적합합니다.

벨로우즈의 선택과 설계는 요구되는 이동 업무에 따르며, 고 려해야 할 작동 조건은 사용 수명(이동 사이클의 수), 작동 온도, 베이크 아웃 온도, 차압입니다. 수명은 재료 316L로 만 들어진 멤브레인이 최대 50만 사이클, 더 탄성이 있지만 자 기화 가능 재료 350AM인 경우는 최대 1,000만 이동 사이클 입니다.

지정된 사이클 수 이내의 멤브레인 벨로우즈는 정비가 필요 없습니다. 계산된 동작 사이클에 도달한 후에는 교체되어야 합니다. 먼지 및 분진 환경에는 적합하지 않습니다.

멤브레인 벨로우즈는 Z-축, XY-축 및 XYZ-축 정밀 조작기, 포트 얼라이너, 벨로우즈 밀봉 회전 피드스루에 사용됩니다.

격막 벨로우즈가 있는 유닛을 베이크 아웃할 때는 균일한 가 열을 확인하는 것이 중요합니다. 격막 벨로우즈 위에 여러 개 의 히터가 있으면 안 됩니다. 히터는 강한 국부적 가열을 이 끕니다. 왜냐하면 격막 벨로우즈는 질량이 낮고 열 전도를 위 해 공간이 작기 때문입니다. 온도 제어 가열 슬리브가 더 좋 고 더 정교한 대안입니다.

3.7.1.2 벨로우즈 밀봉 회전

소위 캐테일 또는 워블 원리는 벨로우즈(예: 진공과 대기 사 이의 밀폐 격리로 인한 회전 동작)를 이용한 회전 이동 전달 을 허용합니다. 그림 3.25는 이런 피드스루 설계를 보여줍니다. 끝이 크랭크 핀(3)에서 지지되는 앵글 구동 축(1)은 진공 속에서 구동 축 (4)을 회전시킵니다. 용접 밀봉은 워블링 이동을 수행하는 비 회전 벨로우즈 실(2)로 구성되어 있습니다. 구동된 축과 구동 축은 진공에 적합한 건조 윤활로 코팅된 스테인레스강 볼 베 어링에 의해 지지됩니다.

건조 윤활은 수명과 가능한 최대 속도를 증가시킬 뿐만 아니 라 구체가 고온에서 베이크 아웃될 때 고정되는 것을 방지합 니다. 건조 윤활 이외에도 세라믹 구체가 있는 하이브리드 베 어링도 UHV 어플리케이션에 사용될 수 있습니다. 가격이 높 기 때문에 가장 높은 표준에만 사용해야 합니다. 그렇지 않으 면 소량의 탄화수소에 저항하는 고진공 어플리케이션의 경 우 베어링은 진공 적합 그리스로 윤활될 수 있습니다.

3.7.1.3 자기 결합 회전과 평행이동

자기 커플링은 용접 밀봉 회전 또는 선형 피드스루에 사용됩 니다. 이들은 진공에서 회전/이동 가능한 자석이 장착된 로터 를 구동하는 외부 정렬 영구 자석들로 구성됩니다. 두 부품 모두 얇은 벽 파이프로 서로 완전히 진공 밀봉되어 있습니다. 내부 및 외부 로터의 자석들 사이의 거리는 이들 사이의 커플 링 힘이 가능한 한 크도록 하기 위하여 가능한 한 짧아야 합 니다. 로터 내부는 이동해야 할 어플리케이션에 연결되어 있 고, 외부 자기 로터는 수동으로 이동하거나 모터로 구동됩니 다. 내부 베어링은 진공에 적합한 건조윤활로 윤활됩니다.

종종 금속으로 만들어진 고성능 자석이 사마륨 코발트 자석 과 같이 거의 접지되지 않은 채로 사용됩니다. 이것들은 베이 크 아웃 시 발생하는 것처럼 고온에 동시적으로 뛰어난 저항 을 보이는 가능한 한 가장 높은 강도를 보장합니다. 이런 자 기 결합 시스템은 UHV 어플리케이션에 적합합니다. 자기장 이 대부분 차폐되어 있다 해도 자기장 라인의 확산은 완벽하 게 회피될 수 없습니다. 사용자는 따라서 자체 어플리케이션 이 잔류 자기장에 충분히 저항하는지를 확인해야 합니다.

자기 결합 시스템을 사용하면 회전 및 선형 동작 및 동시 회 전/선형 동작이 수행될 수 있습니다. 전송 가능한 변위력과 토크는 자석의 수와 배열에 의해 제한됩니다. 달성 가능한 정 확도는 이동할 질량에 따라 달라집니다. 자기장은 두 커플링 파트너 사이에서 스프링처럼 작용합니다. 외부의 힘이나 토 크가 높을수록 내부 및 외부 로터 사이의 위치 편차는 더 커 집니다. 외부의 힘과 시간이 최대 허용 가능 값과 비교해서 낮을 경우 이동은 매우 정확하게 전달될 수 있습니다.

3.7.1.4 밀봉 탄성 중합체 회전과 평행이동

동적 응력의 영향을 받는 진공 적합 실의 경우 특수한 탄성 중합체 실이 사용되고, 이것들은 종종 FKM (불소 성 중합체) 재료로 만들어집니다. 하우징, 실, 작동기 샤프트 사이의 제 한된 구조 조정은 신중히 행해져야 하고, 표면 마감의 설계 및 실행에도 같은 내용이 적용됩니다.

빈번한 이동 및 밀봉 효과 증가의 경우 탄성 중합체 실은 이 동하는 접촉 포인트에서 윤활되어야 하는데, 이는 마찰을 줄 여주고 빠른 마모를 방지하고 표면의 작은 불순물들을 없애 줍니다. 최대 작동 및 베이크아웃 온도에 적합한 진공 그리스 또는 오일을 선택할 때 이들의 속성이 특히 증기압이 고려되 어야 합니다.

탄성 중합체 밀봉 피드스루는 부분적으로만 구을 수 있습니 다. 또한 그리스의 구성품이나 소량의 탄화수소가 어플리케 이션과 호환 가능한지 검사되어야 합니다. 이런 제한을 고려 할 때 탄성 중합체 밀봉 기계적 피드스루는 진공 품질에 대한 가장 높은 요구가 우선 요구되지 않을 경우 기능적 원칙을 가 진 더 비싼 장치에 대한 경제적 대안을 대표합니다.

연속 작동기 샤프트의 이점은 대기 측면 구동으로 진공 측면 어플리케이션에 직접 연결되는 것입니다. 재생 또는 부하 의 존 위치 설정 오류는 없습니다. 작동기 샤프트의 치수 측정 및 장착에 따라 커다란 부하도 이동될 수 있습니다.

탄성 중합체 밀봉 피드스루를 사용하면 회전 및 선형 동작과 동시 회전/선형 동작이 수행될 수 있습니다.

3.7.1.5 펌핑 공간이 있는 슬라이딩 가스켓 경유 회전

자유로운 통과가 가능한 조작기와 서로 자유롭게 회전 가능 한 플랜지를 제조하는 유일한 방법은 슬라이딩 개스킷을 사 용하는 것입니다. 슬라이등 개스킷만으로는 UHV-밀폐 분리 를 제공하지 못하기 때문에 여러 개의 와이어가 직렬로 연결 되고 공간이 비워집니다. 일반적으로 세 개의 특수 PTFE 슬 라이딩 개스킷이 직렬로 설치됩니다. 첫 번째 공간에는 한 개 의 유압 펌프로 충분합니다. 내부에 UHV 조건이 우세하다면 추가 단간 펌프가 요구되며, 여기에 고진공 펌프가 연결됩니 다.

3.7.2 정확도, 반복 가능 정밀도, 해상도

조작기와 기계적 피드스루는 서로 다른 많은 업무가 있습니 다. 업무는 특정한 속도로 연속 선형 및 회전 이동하는 것에 서 정밀한 위치 설정 업무까지 다양합니다. 분석용 표본 전 송, 처리실 사이의 연속 제품 이동 또는 측정 지점에서의 위 치 측정 헤드와 같은 업무는 종종 0.1~1 mm의 위치 정확도 만을 요구합니다. 다른 위치 설정 공정은 최소 마이크로미터 의 가장 정확한 반복 가능 정밀도를,스캔과 같은 업무에서는 1 μm의 가장 미세한 해상도를 요구합니다.

조작기 또는 기계적 피드스루의 선택에 대한 요구조건을 정 확히 인식할 수 있기 위해서는 장비의 속성과 오류의 소스 뿐 만 아니라다음 정의를 이해하는 것이 중요합니다.

정확도(정밀도)는 원하는 위치와 실제 도달한 위치 사이의 편차를 설명합니다. 한 위치에서 시작하여 수동으로 한 눈금 판독하거나 한모터를 구동하고 제한된 수의 눈금 이동 또는 모터 단계에 의하여 결정된 위치에서 끝나는 것. 따라서 정확도는 다양한 요인들에 의해 결정됩니다.

완벽하 다고 주장할 수 없다면, 자주 고려해야 할 몇 가지 측면은 다 음과 같습니다. 눈금 판독은 얼마나 정확한가? 바퀴는 얼마 나 정확히 이동될 수 있는가? 모터 단계의 구분은 얼마나 큰 가? 이동이 모터 단계를 정확히 따르는가? 게다가 안내서 및 구동 구성품의 속성은 다음과 같은 정확도에 중요합니다. 스 핀들 구동의 피치 오차와 재생은 얼
마나 큰가? 선형 유도의 이상적인 선두와의 편차는 얼마나 큰가? 게다가 외부 부하의 부착물 또는 공압은 구동 및 유도 장치의 변형을유발합니다. 조작기가 적정한 안정성을 보장하지 않을 경우 연결 플랜지 로 대피하는 동안 이동 가능한 플랜지가 기울어집니다.


반복 가능 정밀도는 일정한 위치에 다시 도달할 수 있는 편차 를 설명합니다. 이것은 정밀도보다 더 좋거나 같습니다. 왜냐 하면 모든오류가 다 기록되는 것은 아니기 때문입니다. 예를 들면 구성품의 재생과는 달리 스핀들 피치 오류 또는 선두 편 차는 영향을 주지 않습니다.


해상도는 이동의 가장 작은 가능한 증분을 설명합니다. 피치 오류 또는 유도 정확성 역시 영향을 주지 않습니다. 눈금의 판독 가능성또는 모터의 최소 증분은 여기서 중요합니다. 이 에 대한 요구조건은 유도 및 구동 유닛이 사양을 따르는 것입 니다. 예를 들어 구성품의 탄성과 정적 마찰과 동적 마찰의 차이 때문에 슬라이딩 마찰 파트너(스틱 슬립 효과) 사이의 해제가 발생한다면 이런 효과가 해상

3.7.3 기술 장비와 특성

조작기와 기계적 피드스루는 기계적으로 단순하거나 복잡하 게 설계될 수 있습니다. 그러므로 각각의 장비가 정확도, 내 구성, 정비와
관련한 요구조건을 충족시키는지, 인체공학적 작동가능성이 확보되는지를 자세히 관찰해야 합니다.

3.7.3.1 Z-축 정밀 조작기의 설계 특징

스핀들 구동 및 유도를 갖춘 재순환 볼 시스템의 사용은 일반 사다리꼴 및 미터법 나사
구동 또는 슬라이딩 유도에 대해 여 러 가지 중요한 이점이 있습니다. 재순환 볼 시스템
은 마찰력 이 낮기 때문에 효율성이 높고 명목 직경이 크기 때문에 특히 선호됩니다. 외
부 부하가 높음에도 불구하고(환기 상태에서 압력 차이) 중간 작동 힘으로 편안한 이동
조정이 가능합니 다. 앞에서 설명한 스틱 슬립 효과가 없으므로 매우 세밀한 해상도를
사용 가능하고, 작동을 어렵게 만들고 특히 모터 구 동에 부정적인 영향을 주는 박리 토
크가 일어나지 않습니다. 모터를 지원하는 속 기어는 여기서 필요하지 않습니다. 다른
이점은 무척 낮은 마모 수준입니다. 그리스의 오염을 이끌지 않는 깨끗한 환경에서는 고
품질 장기 고온 그리스로 구성된 정품 윤활이 실제로 무한정 지속되므로 정비가 필요하
지 않 습니다.

굴곡에 저항하는 가이드 바디는 정밀도에 중요한 영향을 줍 니다. 스테인레스강으로 만
들어진 안정적인 U-모양의 선택 은 저급 재료 사용 및 관련 중량으로 더 큰 강직성을 유
발합 니다. U-모양 내부에서는 가이드 레일이 튼튼한 후면 판에 나 사로 고정됩니다. 지
지대가 없어 움직임이 자유로운 샤프트 가이드와 비교할 때 프로필 레일은 무거운 부하
를 받으면서 도 전체 이동 범위에서 모든 공간 축을 따라 정밀한 조정을 수행하는 낮은
변형 구조를 갖습니다.

벨로우즈 유닛은 일반적으로 총 10,000 사이클의 이동 사용 을 위하여 설계됩니다. 벨
로우즈의 교환 가능성은 고품질 가 이드 및 구동 바디를 가진 조작기가 여전히 사용될
수 있음을 보장합니다.

3.7.3.2 XY-축 정밀 조작기의 설계 특징

XY 축 정밀 조작기의 설계는 매우 안정적인 설계가 특징이 며, 이는 중량, 크기, 안정성의 균형을 나타냅니다. 이것의 중 량 베어링 기본 구조는 비틀림 저항이며, 알루미늄 합금으로 만들어진 표면은 양극 산화 처리되어 오래 보호됩니다.

정밀 교차 롤러 베어링 가이드는 최대의 정밀도로 긴 수명을 보장합니다. 두 개의 축은 커다란 구동 드럼이 있어서 마이크 로미터 나사를 통하여 수동으로 작동됩니다. 이것은 눈금을 잘 판독할 수 있는 단순하고 인체공학적인 설정을 보장하고 그러므로 높은 해상도를 이끕니다.

벨로우즈 유닛 주위의 이간 거리는 가열 슬리브의 조립을 허 용하므로 균등하게 가열될 수 있습니다. 다시 말하면 벨로우 즈 유닛은 쉽게 교체가 가능합니다. 그래서 구성된 사이클 수 가 지난 후에 교환이 가능합니다.