리니어 서보 스테이지는 현존하는 모션컨트롤 제품군 중에서도 첨단 제품으로 통한다. 모터 형태부터 시작해서(리니어 모터) 위치 제어를 실현하며(서보) 정확하고 정밀한 운동을 실현한다는 점에서(스테이지) 현존 최고 기술의 집합이라고 해도 과언이 아니다. 리니어 서보 스테이지 업체인 M2Plus를 통해 핵심 개념을 짚고 넘어가자. 

정리｜윤진근 기자(yoon@iomedia.co.kr)  도움｜M2Plus 최기화 대표

 

 

리니어 서보 스테이지를 이야기하기 전에, 이토록 복잡한 이름이 붙은 이유에 대해 알아보자. 이름에 대한 뜻을 풀이해보면 리니어 서보 스테이지에 대한 대략적 개념을 익힐 수 있다.
 

리니어는 선형이라는 뜻이다. 리니어는 모터를 뚝 잘라 펼쳐놓은 형태를 취한다. 따라서 리니어의 구조 역시 모터의 구조와 크게 다르지 않다. 리니어 모터는 원형으로 움직이는 일반 모터와는 달리 직선으로 움직인다.
 

서보라는 말은 위치를 제어할 수 있음을 의미한다. 서보는 위치를 제어하고 회전을 파악할 수 있다는 뜻을 내포하고 있다.

마지막으로 스테이지는 ‘판’을 의미한다. 장치가 흔들림 없이 자유로이 움직일 수 있는 정반을 생각하면 된다.

 

리니어 서보 스테이지는 크게 스테이지와 컨트롤러 그리고 PC와 케이블 등으로 이루어져있다. 컨트롤러에 PC와 리니어 서보 스테이지 그리고 전원 등이 연결된다.
 

케이블은 모터 케이블과 인코더 케이블로 나뉜다. 동력을 집중하는 케이블과 명령을 실행하는 케이블이 서로 다른 것.

PC가 컨트롤러로 명령을 보내면 컨트롤러가 각 리니어 서보 스테이지를 통제한다. 스테이지의 작업상황이나 현 상태 등 정보를 PC로 전달하기도 한다. 컨트롤러는 머리 부분이고, 스테이지는 팔다리라고 할 수 있다.
 

리니어 서보 스테이지는 어떻게 구성되어있을까? 앞서 설명했듯, 리니어 서보 스테이지는 모터를 잘라 펼쳐놓은 모양을 하고 있다. 안에 LM 가이드와 자석이 있다. 아래쪽 자석에 있는 +극과 -극이 위쪽에 있는 UVW 상(이를 3상이라 일컫는다) 코일을 밀고 당기면서 위치 제어를 실현한다.
 

작업은 정반 위에서 수행함으로써 정밀도를 높일 수 있다. 자석과 LM 가이드 등을 흔들리지 않는 정반 위에 배치해 오차를 크게 낮춘다. 

 

리니어 서보 스테이지가 세상에 등장한 것은 그리 오래 되지 않았다. 리니어 서보 스테이지가 등장하기 전까지 그 역할을 수행하던 제품이 있었다는 뜻.
 

리니어 서보 스테이지의 태동으로 거슬러 올라가보자. 가장 가까운 사례는 리니어 모터에서 찾을 수 있다. 기존 모터(볼나사 등)은 소음과 정밀도 부분에서 자유롭지 못했다. 하지만 리니어 모터는 소음이 적고 정밀도가 높다. 이 리니어 모터가 한 단계 진보한 형식이 리니어 서보 스테이지라고 할 수 있다.
 

리니어 서보 스테이지가 세상에 등장하기 전까지 볼나사 액추에이터와 벨트 액추에이터 등이 그 역할을 수행하고 있었다. 하지만 이 장비들은 구조상 한계를 가지고 있었다.
 

볼나사 액추에이터는 두 LM가이드 사이에 스크류(나사)를 연결하고, 나사가 관통하는 부분에 너트를 연결해 그 위에 슬라이드 캐리지를 얹는 구조다. 캐리지 위에 물건을 얹어 이를 운반하는 방식을 취한다.
 

하지만 볼나사 액추에이터는 데드스페이스 문제에서 자유롭지 못했다. 구조 특성상 나사를 돌릴 수 있는 동력원, 즉 모터가 필요하기 때문이다. 장비 옆에 모터를 설치해야만 힘을 얻어 나사를 돌려 위치를 변경한다. 따라서 모터가 없으면 볼나사 액추에이터는 작동하지 않는다.
 

결과적으로 볼나사 액추에이터는 사용되는 모터 크기만큼 데드스페이스가 생기게 된다.
 

벨트 액추에이터는 LM 가이드 사이에 볼나사가 아닌 벨트가 들어간다. 벨트의 끝단, 즉 회전하는 샤프트 부분에 모터를 물려 회전을 돕는다.
 

이 제품은 볼나사 액추에이터보다 데드스페이스가 더욱 크다. 스트로크 영역 바깥 부분은 전부 데드스페이스임을 기억하자. 벨트 액추에이터의 데드스페이스는 벨트의 바깥 영역 전체라고 볼 수 있다.

 

리니어 서보 스테이지를 조립하는 과정은 다음과 같다.
 

우선 자석(마그넷)을 깐다. 그 위에 리니어 스케일을 얹는다. 이후 LM 가이드를 설치하고 고정한다. 마지막으로 센서를 포함한 가동자를 설치한다.
 

나열한 문장만 놓고 보면 간단한 것처럼 보이지만 실은 결코 쉽지 않은 과정이다. 매 순간마다 정밀한 측정 과정이 필요하기 때문이다. 게이지를 비롯한 장비들로 여러 각도와 위치에서 다방면으로 측정하는 작업은 전문 지식을 갖춘 사람이 아니라면 쉽사리 접근하기 어려울 만큼 까다롭다.
 

최근 리니어 서보 스테이지에서 화두가 되는 것이 바로 ‘조립’이다. 현장에서는 X축과 Y축 그리고 Z축까지 모두 포용하기 위해 각 리니어 스테이지들을 조합하는 추세다. 하지만 조립이나 적층을 실현하고자 한다면 제품과 제품 사이에 브라켓을 연결해야 한다.

 

M2Plus는 리니어 서보 스테이지를 전문으로 취급하고 있는 업체다. M2Plus는 스위스의 제니사이언스사 제품 한국 총판을 담당하고 있다. 소울 에이전트(독점 대리점)으로 발돋움할 수 있었던 것은 리니어 스테이지에 대한 전문성과 지식이 뒷받침되었기 때문이다. M2Plus는 다양한 상황에 대응할 수 있는 제품을 시장에 제공한다.

 

M2Plus가 취급하고 있는 제품군은 LXX 시리즈이다. 제품 종류에 따라 LXC·LXU·LXS 등으로 나눌 수 있다.

▲ LXC는 Compact의 약어로 제일 작은 제품을 의미한다. 64㎜ 높이에 44㎜ 스트로크가 특징이다. 소형 및 정밀 분야나 머신비전 카메라 등에 적합하다. ▲LXU는 Universal의 약어로, 유연한 멀티플레이를 실현하는 제품이다. 다기능 변신 타입이라는 설명에 걸맞게 고정자와 이동자를 서로 뒤집어도 사용할 수 있다. 2만㎞ 거리를 5년간 급유 없이 사용할 수 있다. 커넥터가 90° 회전한다는 장점도 있다. ▲LXS의 S는 Shuttle의 약어로, 무게를 마치 셔틀처럼 운반할 수 있음을 의미한다. 1600㎜나 되는 기다란 왕복운동 거리가 특징이다.

 

M2Plus의 제품군은 특히 ‘조립’에서 빛을 발한다. 업계 전반적으로 리니어 스테이지의 적층과 조립에 대한 화두가 지속적으로 이어지고 있다. 이런 환경에서 M2Plus가 제공하는 제니사이언스 제품은 브라켓이 없어도 조립을 실현할 수 있다는 장점이 부각되고 있다.

 

M2Plus 제품의 또 다른 장점은 ‘규격화’다. 타 업체들은 아직 조립 방식을 많이 사용하고 있다. 서로 다른 업체에서 나온 제품들을 모아 조립해내는 것. 이와 대조적으로 M2Plus는 규격화를 꾀했다. 여러 규격 제품 중 적절한 제품을 조합해 사용할 수 있도록 함으로써 리니어 서보 스테이지에 대한 진입장벽을 낮추었다. 뿐만 아니라 주문제작에 대한 문도 열려있어 다양한 폭의 제품을 선택할 수 있다.

 

M2Plus는 ‘통합형 모듈러 시스템’을 지향하고 있다. 일반적으로 여러 회사에서 만든 제품들을 조립해 시스템을 구축하여 1마이크로 아래의 정밀도를 구현하기 위해서는 각 제품마다 까다로운 측정 과정이 필요하다. 측정에 필요한 지식은 물론 각 회사마다 상이한 제품 사용법을 익히는 데에 오랜 시간이 든다. 

 

하지만 M2Plus는 통합형 모듈러 시스템을 제공하므로 제품을 장착하기만 하면 곧장 실전에 투입할 수 있다. 뿐만 아니라 웹으로 실행할 수 있는 모션 툴과 컨트롤러도 제공함으로 작업에 필요한 모든 사항들을 갖추었다.

 

M2Plus는 나노미터 단위까지 정밀도를 실현함으로써 고 정밀 산업을 비롯한 반도체, FPD, 머신비전 등 분야를 공략하고 있다.

 

스트로크(Stroke): 실질적으로 제품 혹은 이동자가 움직이는 거리.

정밀도(Resolution): 분해능이라고도 표현한다. 세밀하게 이동을 실현하는지 알아보는 척도다.

정확도(Accuracy): 정밀도가 세밀한 이동을 보았다면 정확도는 얼마나 오차 없이 이동을 달성하는지 보는 척도다. 

정반: 공장에서 사용하는 일종의 ‘판’. 부드러운 움직임을 실현하며 흔들림 현상 등을 다소 줄이는 역할을 한다. 이는 자석이나 LM 가이드를 도입해도 주문제작이 가능하다는 것이다.

데드스페이스(Dead Space): 말 그대로 죽은 자리를 이야기한다. 총 제품 길이에서 유효 스트로크 길이를 제한 나머지 구역이 데드스페이스다. 보통 제품이 콤팩트하다는 것은 크기가 작은 것뿐 아니라 데드스페이스가 작은 것을 의미한다. 

Force: 힘의 크기. 일반적으로 작동이 가능한 힘 크기를 의미한다. 일반적 수치(Fn)과 피크 수치(Fp)가 있다.