제어공학 분야에서 활약하고 있는 엔지니어들은 성능에 영향을 미치는 기계 및 구조적 요인에 예민하기 마련이다. 정확도는 그 중에서도 첫 번째로 고려해야 할 사항이다. 다음에 설명할 자료는 리니어 모션에서 정확도를 높일 수 있는 여섯 가지 방법에 대한 것이다. 
  설계자 및 기술자들은 정교한 모션컨트롤러를 사용한다 하더라도 기계 부품이 어떤 응용사례에 특화되도록 설계되지 않은 한 정밀한 리니어 모션을 달성하기는 어렵다는 것을 깨닫게 된다. 

이 문서는 제어공학 성능에 영향을 미치는 여섯 가지 기계 및 구조적 요인에 대해 설명한다.
 

기술자들이 곤욕을 겪는 경우는 실로 다양하다. 각 시장마다 요구하는 정밀도의 단위가 상이하기 때문이다. 예를 들어 반도체 산업에서는 나노스케일 단위의 정밀도를 요구하지만, 몇몇 산업에서는 0.01-in 단위까지 허용하기도 한다. 현재는 일반적으로 포장 혹은 신문 인쇄 분야를 기준으로 정밀도를 결정하는 추세이다.

오늘날에는 일반적으로 산업 및 응용사례에 따라 필요한 정밀도를 결정한다. 따라서 기술자 및 설계자들이 자신의 제품이나 기술이 운영될 환경에 대해 파악하는 것이 중요하다. 일부 환경에서는 원활한 작동을 위해 보다 섬세하고 정밀한 설계가 필요하기 때문이다.

  해결을 위한 방안

문제를 해결하기 위해, 우선 정밀도 혹은 정밀성이란 단어에 대해 명확히 정의하고 넘어갈 필요가 있다. 정밀도란 정확도와 반복성을 조합한 단어다.
 

정확도는 움직이는 대상의 목표 위치와 실제 위치 사이의 차이를 의미한다. 이 수치가 낮을수록 정확도가 높다는 뜻이다. 또한 다양한 방향에서 접근하는 운동 대상에 대해 포괄적으로 설명한다. 즉, 위치 결정 정밀도란 각각 독립적으로 일어나는 동작 중에 실제와 목표 위치 사이의 최대 편차이다.
 

반복성이란 같은 방향으로 반복해서 운동하는 리니어 모션 시스템의 배치 정확도를 의미한다. 대상의 목표 위치와 실제 위치 사이의 편차를 확인할 때 주로 사용하는 개념이다.
 

기술자들은 다음에 설명하는 여섯 가지 개념에 초점을 맞춤으로써 위와 같은 매개변수들을 향상시킬 수 있다.

이동 정확도

이동 정확도(Travel Accuracy)는 피칭(상하)과 요잉(기울어짐 혹은 쏠림, 좌우) 그리고 롤링(경사, 축 주변) 등을 측정할 때 쓰인다. 움직임을 최소화하기 위해서는 시스템 표면에 부착되어있는 트레블 가이던스 시스템의 품질이 중요하다. 
 

리니어 모션 시스템은 보통 고유한 마운팅 표준을 가지고 있다. 따라서 이동 정확도를 구성하고 있는 기계 표면 중심 측량(Machine Surface Alignment)이나 준비과정 그리고 허용오차 등의 요소들이 전부 상이하다.
 

이러한 시스템을 구축할 때에는 베어링에 유의해야 한다. 베어링이 리니어 가이드의 내부에서 순환하면서 ‘Load-Bearing’ 에서 ‘Nonload-Bearing’으로 전환하는 과정에서 정밀도를 감소시키는 진동을 일으킬 수 있기 때문이다. 
 

이를 극복하기 위해 몇몇 제조업체들은 특화된 고정밀 러너 블록(Runner Block)을 통해 베어링의 기하학적 전이점을 최적화함으로써 진동을 최소화하고 있다. 예를 들어 보쉬렉스로스의 고 정밀 볼 레일은 릴리프 지점에 강철을 삽입해 궤도의 끝 지점에서 힘을 감소시킨다. 그 결과 운동 지점 전체에 걸쳐 부드럽고 일관적인 베어링 움직임을 획득한다.

 
위치 정확도

위치 정확도(Positioning Accuracy)는 드라이브의 기능 및 허용오차에 따라 달라진다. 전기 기계 볼나사나 유압 혹은 공압 실린더, 전기 리니어 모터, 랙 앤 피니언(톱니바퀴와 톱니막대가 맞물려 돌아가는 식, 편집자 주) 등 여러 요인이 있다.
 

볼나사는 리드 오차 혹은 편차를 일으키는 요인이기도 하다. 볼나사나 볼 너트 등이 서로 연결되어있거니와 전체적인 부하를 관장하고 있기 때문에 오류가 일어나기 쉽다. 나사의 이(Screw Threads)를 제조하는 방법에 따라 오류의 정도가 다르다.
 

분쇄 작업 역시 리드 오차를 야기한다. 기계 고유의 부정확성이나 공구 마모 그리고 분쇄 과정에서 일어나는 볼나사 축 등이 주범이다. 회전을 통한 성형은 후처리 중 열처리 과정에서 리드 오차를 일으킨다.
 

지금까지는 분쇄 작업이 롤링 작업보다 더 정확·정밀하다고 여겨왔다. 하지만 오늘날에 와서는 그 격차가 많이 줄어들고 있다. 몇몇 레스록스의 나사는 이동 편차 및 리드 오차 면에서 클래스 5 내지 클래스 3의 정밀도를 자랑한다. 이는 300㎜를 이동할 때 최대 ±12㎛의 편차를 달성함을 의미한다.
 

전자 보정 기술은 표준 이동 하에서 적은 리드 오차만을 일으킴으로써 정확도를 높인다. 표 1의 그래픽을 참조해 보면, 리드 오차를 700㎜를 이동할 때 최대 13㎛ 수준으로 줄여준다.
 

기계의 축에 외부 피드백을 추가로 마련하는 것 역시 위치 정확도를 높일 수 있는 방법이다. 이는 로터리 엔코더를 사용함으로써 간접적으로, 혹은 리니어 스케일을 사용해 직접적으로 해결할 수 있다. 보쉬렉스로스의 IMS(Integrated Measuring System, 통합 측정 시스템)는 스케일을 가이드 레일 및 베어링 블록에 있는 센서 헤드에 통합했다. 그 결과 센서가 위치 정보를 피드백함으로써 서보드라이브가 최종 동작 위치를 올바르게 지정할 수 있다.

시스템 강성

때로는 몇몇 기계적 장치들이 제어 효율을 줄이는 악영향을 초래한다. 기계의 형태와 강도, 재질(알루미늄·철강 등), 구조(단단하고 안이 꽉 찬 구조·관 형태 등)을 포함한 여러 요소들이 정밀도에 영향을 미칠 수 있다. 기계적 구동을 기반으로 한 요소들, 예를 들어 예압·예비 하중·축 길이·윤활제 성분·베어링의 지지·잠금장치 등 프레임과 리니어 모션 시스템을 이어주는 모든 요소들이 기계에 직·간접적으로 영향을 미친다.
 

시스템의 강성이 특히 중요한 이유는 모션 구성요소에 아래·위·옆 등 어떤 방향으로든 힘 혹은 하중이 작용하기 때문이다. 이는 변형을 일으킬 수 있는 치명적인 요소로, 앞서 설명한 반복성에 있어서 적이라고 할 수 있다.
 

힘이 커지면 그만큼 힘의 굴절 혹은 반작용도 커진다. 설계자들은 문제를 해결하고자 윤활제를 충분히 배치해 리니어 가이드 블록의 강도 혹은 강성을 높인다.
 

그림 4는 가이드 레일 틈새(Diameter D)에 대형 롤링 요소(Oversized Rolling Elements, Dk)를 사용하는 장치의 전형적인 양태를 나타낸다. 오늘날 대부분의 리니어 가이드 제조업체는 편향을 최소화하기 위해 각기 다른 예압을 제공하고 있다.

드라이브는 전체 시스템의 강성이나 강도에 크게 기여한다. 볼나사, 볼 너트, 베어링 등의 요소를 통해 강도를 높일 수 있는 것.

이 중 스크루드라이브의 강성에 영향을 미치는 가장 큰 요인은 바로 ‘길이’다. 길이가 긴 나사는 편향을 보정하기 어렵다. 이를 보정하는 방법으로는 별도의 예압을 추가하거나 더 뻑뻑한 볼 너트를 선택하는 것 등이 있다.

속도

오늘날의 소비자들이 원하는 고속·대량 처리 응용 분야는 어려운 과제를 가지고 있다. 짧은 사이클 타임은 리니어 가이드와 볼나사의 속도 그리고 가속 기능 등 대체로 속도에 대한 요구사항을 가지고 있기 때문이다.

첫 번째 문제는 볼나사 축의 임계 속도이다. 나사가 진동하거나 지나치게 왕복운동을 하는 문제(스크루 윕Screw Whip이라고 일컫는다)가 일어날 수 있다. 이 속도는 볼나사 축의 길이나 베어링 유무 여부에 따라 달라진다. 주로 엔드 베어링을 통해 임계 속도를 변경한다. Fixed-fixed 마운트(베어링이 나사의 양쪽 끝에 붙어있는 경우)는  임시 속도가 높다. 반면 Fixed-free 시스템은 임계 속도가 낮다.
 

Fixed Mounting, 즉 마운트를 고정하면 베어링이 나사에 고정되는 형식으로 배열된다. 이때 베어링 세트는 축 하중을 지지하도록 설계되어있다.

Floating Mounting은 더 나은 열성능을 달성하고자 하는 사람들이 주로 선택하는 방식이다. 마찰이 적기 때문이다. 하지만 임계 속도가 Fixed Mounting 방식보다 낮다는 단점이 있다.
 

Floating Mounting은 레이디얼 베어링만을 사용하는 경우가 많다. 레이디얼 하중 혹은 공간 내에 있는 나사들의 하중을 감당하기 위해서다. 이 방식이 ‘유동(Floating)’이라는 이름을 갖게 된 이유는, 나사의 굴대가 확장 및 수축을 반복하며, 이에 대응하기 위해 베어링 역시 굴대받이(Pillow-Block) 하우징 안에서 유동적으로 움직이기 때문이다.
 

속도를 제한하는 두 번째 요소는 베어링 시스템의 특성 속도이다. 이는 윤활재의 성분에 따라 달라진다. 볼나사의 경우 볼 너트가 이에 해당한다. 볼의 온도·진동·관성 등이 모두 영향을 받는다. 특성 속도는 일반적으로 Dn 요인이라고 한다.
 

두 속도 중 낮은 쪽이 정밀한 모션 제어를 위한 중요한 수치다. 여기서 특성 속도는 축 길이와 별개다. 하지만 길이가 증가함에 따라 임계 속도가 낮아짐에 유의해야 한다. 시스템이 임계 속도에 도달하면 진동이 증가하고 정확도가 낮아지며 성능이 줄어든다. 성능 감소란, 공작기계를 예로 들면 기계 가공에 있어 표면 마감처리의 품질이 낮아지는 것을 의미한다. 볼나사 어셈블리 역시 피로(Fatigue) 상태에 더 빨리 도달한다.

열(熱)

모터·베어링·너트 등 모든 리니어 모션 구성요소들은 열을 생성한다. 이런 열에 대한 영향을 적절히 관리함으로써 시스템 전체 성능과 정밀도를 높일 수 있다. 

축을 구성하는 여러 요소들 역시 각기 다른 온도를 가지고 있다. 작동시간이나 동적 순환 그리고 각 부분에 작용하는 힘이나 하중이 전부 다르기 때문이다. 베어링을 굴대받이 안에서 유동적으로 움직일 수 있게 만들면 볼나사의 신축성(앞서 설명했던 확장 및 수축을 반복하는 것)을 높일 수 있지만, 반대로 강직도는 떨어진다.

고정 베어링을 조합하거나 축 하중 혹은 스러스트 하중을 지탱할 수 있는 베어링을 사용하면서 레이디얼 베어링으로 굴대받이에 유연성을 유지하면 속도 특성을 높이면서도 열 유연성을 함께 획득할 수 있다.

엔지니어들에게 있어 또 다른 난제는 바로 열탄성 변형이다. 열이 모든 구성요소의 팽창에 직접적인 영향을 주기 때문이다. 제품의 변형 혹은 기형은 베어링과 너트에 불필요하게 과한 힘을 줌으로써 조정 불량이나 위치 불량을 일으키는 원인이 된다. 또한 마찰과 이에 따른 마찰 저항을 만들어내고, 이로 인해 더 많은 열을 만들게 된다. 많은 강성과 강도를 요구하는 활용사례에서는 상대적으로 더 많은 마찰열이 발생해 제품 정렬은 물론이고 강성과 성능에까지 영향을 준다.
 

한 가지 다행인 점은 드라이브 및 전자 제어장치가 발달함에 따라 디자이너들 역시 보다 쉽게 열 영향을 상쇄 혹은 보정할 수 있게 되었다는 것이다.

공명 및 공진

앞서 설명한 모든 요소들은 공명이나 공진 혹은 진동을 만들어낼 가능성이 있다. 이는 정밀도와 품질 양쪽 모두에 악영향을 미치는 요소다. 극단적인 경우, 임계속도를 초과했을 때 발생하는 진동은 나사에 ‘Whipping’ 효과를 일으키고 기계에 손상을 입히는 원인이 된다. 진동이 일어나게 되는 요인은 다음과 같다.

·과도한 런아웃(Run-Out) 혹은 볼나사 축·드라이브 저널·기타 구성요소 등의 중심축에서 부적절하게 회전하는 나사

·과도한 반동(Backlash)

·외부의 영향. 근처에 있는 다른 기계장치·지게차·냉난방 및 환기장치 등이 일으키는 진동의 영향을 받는 다. 많은 사람들이 간과하고 있는 요소이기도 하다. 독립된 패드 위에 기계를 설치하는 것만으로도 이 문제를 해결할 수 있다.

설계 의사 결정

일부 시장에서는 사소한 정밀도 개선을 위해 상당한 시간과 금전 그리고 노력을 소비하는 것이 정당하지 않을 수 있다. 하지만 이러한 설계는 새 제품을 차별화하는 데에 큰 도움이 된다.
 

정밀도는 시장의 요구와 업계 표준에 따라 결정하는 것이 좋다. 일부 특별한 응용사례에서는 매우 높은 처리량을 필요로 하며, 정밀도에 제한을 줄 수도 있다. 빠른 전환시간을 필요로 하는 작업 또한 단순한 설계를 위해 정밀도를 낮출 필요가 있다.

마지막으로 신흥 시장에서 요구하는 사항을 충분히 고려해야 한다. 에너지 소비와 린 제조방식(Lean Manufacturing)이 대표적이다. 정밀도가 높아지면 불량품 및 폐기 물질이 줄어들게 된다. 정밀한 리니어 모션 시스템의 또 다른 혜택이다.