전자기계식 리니어모션 시스템을 설계하는 엔지니어에게 리니어 모터, 볼 스크류, 랙-앤-피니언 드라이브는 모두 유용한 옵션이다. 하지만 광범위하게 사용되고 있는 볼 스크류, 정밀하고 역동적인 성능으로 인기를 얻고 있는 리니어 모터보다 랙-앤-피니언(rack-and-pinion) 장치가 더 나은 선택이 될 수 있다. 정밀 제조의 발전, 전자식 프리로드의 출현 등에 의하여 정확성과 성능이 월등히 향상됨으로써 랙-앤-피니언이 내구성·효율성·경제적 측면에서 더 나은 이점을 제공할 수 있기 때문이다.
리니어 모터
리니어 모터의 가장 큰 이점은 낮은 질량의 캐리지로 높은 가속도와 최고 속도를 얻을 수 있다는 점이다. 이로 인하여 높은 위치 정확도가 요구되거나 모션이 방향을 자주 바꿀 때 요구되는 애플리케이션에서 리니어 모터는 최적의 선택으로 인식되고 있다. 또한 브러시리스 리니어 모터의 경우, 소음이 적으며, 긴 수명을 자랑한다.
단점은 제한적인 힘과 비효율적인 에너지 소비이다. 수많은 개선에도 불구하고 리니어 모터의 에너지 소비량은 비슷한 등급의 랙-앤-피니언 액츄에이터의 최대 5배에 달한다. 이는 고전력선, 변압기를 비롯한 전기 구동 장치에 대한 선행 인프라 투자가 필요함을 의미한다.
더불어 리니어 모터는 많은 열을 발생시켜 2차 냉각 시스템을 필요로 할 수 있다. 특히 드릴링과 같은 저속 고강도 작업에서는 극심한 발열이 나타나는데, 이는 비용과 복잡성을 증가시켜 효율성이 더욱 악화됨을 의미한다.
일반적으로 리니어 모터는 구동거리가 길어지면, 엄청난 비용을 요구한다. 짧은 구동거리에서도 성능 이점과 기계 생산성에 대비하여 리니어 모터의 잠재적인 비용과 에너지 사용량을 심도있게 고려해야 한다. 랙 앤 피니언과 볼 스크류의 경우, 표준 서보 모터의 뒷면에 브레이크를 내장할 수 있는 반면, 리니어 모터는 일반적으로 더 비싼 애드온 보조 브레이크를 요구하는 등 비용 증가 요소가 적지 않다.
경우에 따라, 가속/감속 거리가 총 주행 거리를 초과하면 리니어 모터가 최고 속도에 도달할 수 없는 제약도 존재한다. 대형 리니어 모터를 요구하는 애플리케이션의 경우, 발생하는 강력한 자기장으로 인한 컴플라이언스 때문에 엄격한 기계 프레임워크가 요구되기도 한다.
직접 구동이기에 감속기를 활용할 수 없다는 점도 리니어 모터의 단점으로 꼽힌다. 모터의 속도와 토크를 부하에 맞추기 위해 사용하는 감속기 사용이 불가능하기에 리니어 모터는 때때로 비효율적인 시스템을 유발하게 된다.
폐쇄 루프 제어 관점에서 보면, 위치 편차를 유도하는 외부 부하로 진동 또는 공진이 유발될 수 있다. 또 금속 칩, 입자, 혹은 작은 부품들의 오염에 대한 문제도 신경써야 할 부분으로, 리니어 모터의 강한 자력으로 인한 문제를 예방하기 위한 오염 방지 대책이 반드시 요구된다.
이러한 단점들은 리니어 모터의 기술적 이점들을 다시 보게 만든다.
볼 스크류
볼 스크류와 리드스크류는 오랫동안 모든 종류의 산업용 애플리케이션에서 사용되어 왔다. 특히 볼 스크류는 짧은 이동 거리에서 높은 경제성을 지녀 Z축 드라이브와 같은 애플리케이션에서 선호됐다.
단점은 급작스러운 저크(가속도 변화)에 민감한 스프링에 손상을 입히거나 성능을 저하시키는 충격을 발생시킬 수 있다는 점이다. 또 가속/감속 기능과 최대 속도, 출력이 제한되기도 한다. 무엇보다 최대 길이의 제한이 존재한다는 점이 볼 스크류 방식의 가장 큰 단점이다. 볼 스크류는 양쪽 끝에 있는 구조물에 장착되는데, 이로 인하여 길이가 길어지면 성능이 저하된다. 이에 따라 일반적으로 볼 스크류의 최대 축 길이는 약 6m로 제한된다.
또 스크류의 선형 강성이 일정하지 않고, 너트 위치에 따라 달라져 동적 애플리케이션에서 골칫거리로 작용할 수 있다. 볼 스크류에서 모션의 손실이나 백래시를 없애기 위해서는 프리로드 필요하며, 더 많은 마찰과 전력 손실, 마모 발생의 가능성이 높다.
볼 스크류는 너트와 나사를 통해 이동하고 재순환한다. 따라서 볼 베어링을 통하여 볼을 윤활하고 부하·마찰·마모를 고르게 분산시킨다. 그러나 이는 소음에서 자유롭지 않으며, 짧은 스크로크 애플리케이션이 볼의 완전한 재순환을 방해하기도 해 동적 하중을 낮춰야 할 수 있다.
랙-앤-피니언
랙-앤-피니언은 피니언이 회전할 때 랙을 따라 앞뒤로 움직이는 기어드 랙에 피니언과 기어 박스를 맞물림으로써 회전 운동을 선형 운동으로 변환시킨다. 이는 무제한의 거리, 그리고 전자식 프리로딩 시스템을 가진 듀얼 드라이브 시스템에서 백래시 없는 동작이라는 이점을 제공한다.
무엇보다 긴 이동거리에 비하여 가장 저렴하고, 간편하게 구현할 수 있다는 점이 랙-앤-피니언의 가장 큰 장점이다. 이동거리는 랙 길이에 의해서만 제한되는데, 랙 섹션은 종단간 연결되어 거리를 계속 늘릴 수 있다.
또한 랙-앤-피니언은 다양한 크기와 유형이 존재하여 선택의 폭이 넓다. 예를 들어 견고한 부품을 가공할 경우, 품질과 표면 조도를 보장하기 위하여 부드러운 주행이 요구된다. 헬리컬 기어는 나선형 톱니의 매끄러운 맞물림으로 부드럽고 조용한 움직임을 구현함으로써 가공 애플리케이션에서 우수한 품질과 마감을 지원한다. 고정밀 시스템의 경우 헬리컬 톱니 사이의 단일 피치 오차는 약 3μm이며, 누적 피치 오차는
12μm/500mm에 불과하다.
랙-앤-피니언 액추에이터는 높은 힘과 가속도, 그리고 리니어 모터만큼 높은 최고 속도를 자랑한다. 랙-앤-피니언 시스템에서의 최대 속도 제한은 대부분 프레임과 구조로 인한 것이며, 액추에이터로 인한 제한이 아니다. 볼 스크류의 경우에는 랙-앤-피니언과 같은 가속이 불가능하며, 동일한 속도를 유지할 수도 없고, 강성도 낮고 덜 일정하다.
나아가 랙-앤-피니언 드라이브는 97%의 높은 효율을 자랑한다. 반면 볼 스크류는 최대 90%의 효율을 나타낼 수 있으며, 리니어 모터는 전체 효율이 85%에 불과하다.
랙-앤-피니언의 단점은 랙을 청결하게 유지해야 하며, 고속 환경에서 윤활류가 튈 수 있다는 점이다. 또 볼 스크류 시스템보다 부품 수가 적어 설치 시간을 줄일 수 있지만, 정밀도가 높은 애플리케이션의 경우에는 세부 사항에 세심한 주의를 기울여야 하는 까다로운 설치 절차를 지니며, 고가의 구성 요소를 필요로 하기도 한다.
전자식 프리로딩으로 백래시 제거
모든 기어 시스템에서 고려해야 할 중요 사항은 백래시다. 백래시는 기어 톱니 사이의 간극으로, 기어의 원활한 작동을 위해서는 간극이 필수적이지만 이로 인한 반발(백래시)를 피할 수 없는 것이다. 백래쉬를 최소화하기 위해서 기어는 높은 내부 강성(재료 강도)과 엄격한 제조 공차, 그리고 올바른 윤활제 사용이 필수적이다.
현재 전자식 프리로드의 발전에 힘입어 더 정교한 랙-앤-피니언 세트가 등장했다. 이 액추에이터는 두 개의 피니언과 두 개의 모터를 지닌 랙이 전자 컨트롤러와 함께 작동하여 마찰 손실을 최소화하고, 백래시 없는 움직임을 제공한다.
이는 활발히 운동하는 마스터와 슬레이브 피니언이 반대 방향으로 기울어진 랙의 톱니를 밀어넣어 정지 상태에서 반대 토크를 발생시키거나 전자식 프리로딩을 최대화함으로써 시스템에서 백래시를 제거한다는 개념이다.
가속 시에는 컨트롤러가 전자식 프리로드를 줄이고, 마스터 피니언과 슬레이브 피니언이 반대 방향의 프리로드를 완화하는 동작을 시작한다. 장치가 가속화함에 따라 슬레이브는 반대편 톱니 측면으로 이동하며, 이를 통해 두 액추에이터가 나란히 작동하면서 백래시가 없는 동작을 만들게 된다. 반대로 감속 시에는 슬레이브 피니언이 반대편 톱니 측면으로 다시 이동하여 하중을 느리게 하면서 백래시를 제거한다.
전자식 프리로딩이 가능한 랙-앤-피니언 리니어 액추에이터는 고속 절삭 장비, 로봇 모션 플랫폼 등 동적인 움직임에도 정확성과 강성을 유지해야 하는 고급 애플리케이션에서 활용할 수 있다.
선택과 크기 조정
랙-앤-피니언 시스템을 선택할 때 엔지니어는 모션 방향, 가속도와 최대 속도, 모션 프로파일 및 듀티 사이클, 반복성 및 정확성 요구 등 여러 가지 매개 변수를 고려해야 한다. 그리고 주변 환경과 시스템의 수명에 대해서도 고려해야 한다.
모든 변수를 고려하면서 올바른 랙-앤 피니언-디자인을 선택하는 데에는 많은 시간과 비용이 소요될 수 있다. 그러나 다행스럽게도 주요 정밀기어 기업들은 선택 작업을 쉽게 할 수 있는 소프트웨어 도구를 제공하여 사용자의 부담을 덜고 있다.
예를 들어 Wittenstein(www.wittenstein-us.com)의 Cymex 5 시뮬레이션 소프트웨어는 사용자가 움직일 질량과 하중 각도, 마찰력, 피니언 크기, 재질 및 효율 등을 입력하면, 자동으로 여러 조건을 계산하여 모션 프로파일 특성을 생성하고, 수백 개의 서보 모터와 기어 감속기의 중에서 적절한 권장 사양을 찾아 보여준다.
랙-앤-피니언 세트 장착에는 다양한 옵션이 존재한다.
리니어 모터의 직접 구동 방식과 달리 랙-앤-피니언 세트는 피니언 크기, 기어비와 댐핑을 조정하여 폐 루프 제어를 안정화시킬 수 있다. 따라서 이러한 유연성을 활용해 디자인함으로써 보다 나은 제어를 구현할 수 있다.
그렇지만 피니언과 랙 톱니를 너무 멀리 떨어 뜨리면 백래시가 발생하여 정밀도가 떨어지며, 잘못 정렬된 마운팅이 기어박스의 베어링을 손상시킴으로써 더 높은 전력 소모와 소음 뿐 아니라 심지어 장비의 고장까지 유발시킬 수 있다. 따라서 최고의 성능을 위해 피니언은 평평한 표면에서 랙과 적절한 간극을 유지해야 장착되어야 하며, 기어 박스와는 수직을 이뤄야 한다.
