리니어 드라이브를 구성하는 방법은 다양하다. 즉 여러 방식으로 리니어 드라이버를 구축할 수 있음을 의미한다. 이 문서에서는 대표적 리니어 드라이브 요소인 랙 앤 피니언(톱니바퀴와 톱니막대가 맞물려 돌아가는 식, 편집자 주)드라이브와 리니어 모터 및 볼 스크류를 비교한다.
 

리니어 모터와 볼나사 그리고 랙 앤 피니언 드라이브는 전기기계식 리니어 모션시스템을 설계하고자 하는 기술자들에게 좋은 도구들이다. 볼나사는 현재 광범위한 활용사례를 가지고 있으며, 리니어 모터는 정밀도와 동적 성능으로 유명세를 떨치고 있다.
 

정밀공업이 발전하고 전자 사전 설치(Electronic Preload)가 대세가 됨에 따라 랙 앤 피니언 드라이브의 정확도 및 성능 역시 덩달아 성장했다. 경쟁 장비와 비슷하거나 이를 앞서는 성능을 보이고 있는 것. 또한 랙 앤 피니언 장치는 내구성·효율성·경제성이라는 세 가지 측면에서 다른 장비보다 우월한 위치를 점하고 있다. 

이 문서에서는 각각의 드라이브를 비교할 수 있는 방법을 살펴본다.
 

리니어 모터는 1980년대부터 인기를 얻은 제품이다. 이후 발전을 거듭하며 지난 몇 년 동안 혁신적 제품들이 시장에 등장하고 있다. 
 

리니어 모터를 사용했을 때 얻을 수 있는 주요 이점은 이동 캐리지가 낮은 무게로도 높은 가속도 및 최고 속도를 낼 수 있다는 것이다. 따라서 높은 위치 결정 정도나 운동 방향이 자주 바뀌는 활용사례에 적합하다. 브러시가 없는(브러시리스) 리니어 모터는 작동 중 소음이 적으며 드라이브 수명이 길다.

하지만 물리력에 제한을 가지고 있으며, 여러 개선에도 불구하고 여전히 효율성이 떨어진다는 점이 문제로 남는다. 에너지 소비 효율은 비슷한 등급의 랙 앤 피니언 액추에이터보다 최대 다섯 배 낮다. 바꿔 말하면 다섯 배나 전력을 많이 소비하는 셈. 높은 에너지가 필요하다는 것은 결국 고압송전선·변압기·전기 드라이버 등에 큰 선행 투자를 해야 함을 의미한다. 

리니어 모터는 많은 열을 발산하며, 따라서 부가적인 냉각 시스템이 필요하다. 비용 및 복잡성을 높이며 나아가 전반적인 효율성을 떨어트린다. 발열은 드릴링과 같은 저속·고 물리력 작업에 극히 악영향을 미친다.

리니어 모터는 직접 구동 방식을 택하고 있기 때문에 기어 감속이라는 이점을 전혀 누리지 못한다. 일반적으로 기어박스는 로터리 모터의 속도와 토크를 부하와 일치(즉, 일종의 동기화)시키는 작업을 수행한다. 하지만 리니어 모터를 사용하면 이 작업이 불가능하며, 따라서 효율성을 떨어트린다.
 

폐회로 제어 관점에서 보면 외부 하중은 위치 편차를 만듦으로써 공명이나 진동을 만드는 원인이 된다. 기계계(Mechanical System)가 내제한 관성을 줄이고 제동하지 않으면 공정 중인 제품을 통제하는 데에 문제가 발생할 수 있다.
 

다른 고려사항은 오염이다. 금속 칩·먼지(파티클)·여타 사소한 부품 등이 모두 문제를 일으킬 수 있다. 이들  요소 때문에 모터를 강한 자력으로부터 보호할 수 없게 되기 때문이다. 다른 드라이브에도 악영향을 줄 수 있다. 문제를 해결하기 위해, 일반적으로는 랙 앤 피니언 및 볼나사와 함께 서보 모터의 뒷면에 제동장치를 장착할 수 있다. 반면 리니어 모터는 보조 브레이크를 추가적으로 장착해야 하며 이는 곧 비용 증가로 이어진다.
 

긴 이동길이를 가진 리니어 모터는  가격이 비싸다. 이동길이가 짧은 경우에도 리니어 모터가 가지고 있는 높은 잠재 비용 및 사용 에너지와 성능상 이점 및 기계 생산성 사이를 저울질해야 한다. 예를 들어 리니어 모터의 가속·감속 거리가 총 작동거리를 초과할 수도 있다. 이 경우 리니어 모터를 도입해야 할지에 대한 논점이 된다.

 
볼나사

볼나사 및 엄지나사는 모든 종류의 산업용 응용사례에서 오랜 시간동안 쓰여온 제품들이다. 다른 리니어 드라이브와 비교했을 때 볼나사의 장점은 짧은 이동거리를 달성하는 장비 중에서 경제적인 축에 속한다는 점이다. 따라서 Z축 드라이브와 같은 몇몇 응용프로그램에서 선호하는 장비가 되었다. 
 

엄지나사와 고 리드(High Lead) 볼나사는 논 백(Nonback) 작동을 실현한다. 전원 장애가 발생해도 수직축 부하가 작업공간 안에서 멈추어 떨어지지 않는다.
 

반면 볼나사는 저크(홱, 하고 날카롭게 움직임을 의미한다. 가속에 변화가 생겼을 때 발생한다. 편집자 주)에 민감한 큰 스프링처럼 작동한다. 이로 인해 손상 및 성능 저하를 일으켜 부하에 악영향을 미친다. 설계 면에서도 가속 및 감속 능력·최대 속도·최대 출력 등에 제한을 받는다.

최대 길이 역시 제한요소다. 볼나사는 전체 구조물의 양쪽 끝에 장착된다. 하지만 이동길이 증가를 야기한다. 이동길이가 증가하면 고정간 거리가 증가하며, 나사의 가운데가 축 늘어지게 되고, 결과적으로 성능이 낮아진다. 최대 축 길이는 일반적으로 6m 정도다.

나사의 선형부 강성은 일정하지 않으며, 암나사의 위치에 따라 달라진다. 이 점은 동적인 응용사례에서 사용자의 머리를 아프게 한다. 볼나사의 공전 및 시간과 에너지 낭비 그리고 백래시를 줄이기 위해서는 사전 설치 작업이 필요하다. 선형부 강성은 더 많은 마찰을 초래하고 전력 손실 및 잠재적인 마모 유발 현상을 방지하는 역할도 한다.
 

설계 측면에서 볼 때, 볼나사는 일련의 볼 베어링으로 이루어져있다. 암나사와 나사를 통해 이동 및 순환을 반복하며, 볼에 윤활을 하고, 장치에 가해지는 하중과 마찰 그리고 마모를 균일하게 만든다. 하지만 이 작업들은 소음을 유발한다. 또한 스트로크가 짧은 응용사례에서는 볼의 완전한 재순환을 방해하는 일도 종종 일어난다. 이런 경우 동하중을 감소시켜야 한다.

  랙 앤 피니언

랙 앤 피니언 시스템은 회전 운동을 직선 운동으로 변환한다. 피니언을 움직여 기어 랙과 결합하며, 피니언이 회전함에 따라 기어박스가 랙을 따라 앞뒤로 움직인다. 
 

랙 앤 피니언 시스템은 장기적으로 백래시 없이 작동하며 이동길이에 제한이 없다. 다른 설계방식과 비교해 가장 큰 이점은 긴 이동거리를 통해 비용을 절감한다는 점이다. 이동을 제한하는 요소는 랙의 길이뿐인데, 한쪽 끝과 다른 쪽 끝을 이음으로써 이동거리를 늘릴 수 있다.
 

피니언 종류와 크기도 다양하게 선택할 수 있다. 헬리컬(나선형) 기어를 사용하면 이(Teeth)를 부드럽고 조용하게 맞물릴 수 있다. 부드러운 작동 또한 높은 품질과 표면 상태를 달성할 수 있는 요인이다. 일례로 정밀 부품을 가공한다고 가정하자. 고 정밀 시스템을 사용하면 나선형 톱니바퀴의 톱니 사이에 일어나는 단일 피치 오차는 3㎛ 정도이며, 누적 피치 오차는 12㎛/500㎜에 불과하다.
 

랙 앤 피니언 액추에이터는 고성능은 물론이고 리니어 모터와 비슷한 수준의 높은 가속도 및 최고 속도를 자랑한다. 
 

많은 경우 장치의 틀 및 구조(액추에이터 제외)가 랙 앤 피니언 및 리니어 모션 시스템의 속도를 제한한다. 볼나사는 랙 앤 피니언처럼 가속할 수도, 동일한 속도를 유지할 수도 없다. 강도는 더 낮으며 일정하지도 않다. 랙 앤 피니언 장치는 볼나사보다 관성 모멘트 질량이 낮으며, 동시에 높은 고유주파수와 효율성을 가지고 있다.
 

랙 앤 피니언 드라이브를 공정 중인 제품에 직접 연결하는 방법보다 기계적인 전달 장치를 사용하는 편이 좋다. 사용자가 기어 비 및 피니언 크기를 바꾸어 제동을 도움으로써 폐회로 불안정 성을 없앨 수 있기 때문이다. 이 방법은 설계자에게 추가 조정 방법을 제공하며, 성능과 효율성을 높일 수 있다.
 

랙 앤 피니언 드라이브는 능률을 최대 97% 높이는 효과를 가지고 있다. 이에 비해 리니어 모터는 일반적으로 전체 효율을 85%가량 높여주지만, 일부 는 이보다 훨씬 밑도는 효율을 갖고 있다. 볼나사는 설치 작업 여부에 따라 최대 90%가량의 효율을 자랑한다.
 

랙은 청결하고 윤활유를 입힌 상태여야 한다. 랙에 바르는 윤활유는 빠른 속도로 랙을 칠할 수 있어야 한다. 랙 앤 피니언은 볼나사 시스템에 비해 구성요소가 더 적으며, 따라서 설치할 때 시간을 절약할 수 있다. 하지만 고 정밀 응용사례에서는 주변 시설 및 설치의 영향을 받으므로 장치 비용이 비싸진다.
 

일반적인 랙 앤 피니언 응용사례는 갠트리·운송·포장기계 등을 포함한다. 그 범위는 몇 파운드에서 수 톤에 이르기까지 다양하다. 차세대 랙 앤 피니언 장비는 목공·고속 절삭·기계 조립 등의 분야에서도 활약할 전망이다.




백래시 및 전자적 사전 설치

기어 시스템을 구축하고자 할 때 고려해야 할 사항 중 하나가 바로 백래시(반동)다. 백래시는 두 톱니 사이 간격의 양이라고 풀이할 수 있다. 일반적으로 arc-min 단위로 측정한다. 
 

모든 기어에는 약간의 여유 공간이 필요하다. 여유 공간이 없다면 톱니 사이에 스코어링(이물질 입자의 예리한 끝 부분에 긁혀서 생긴 흠집, 출처 기계공학용어사전)을 만들거나 지나치게 높은 베어링 힘을 생성하는 등 문제가 발생한다.
 

백래시를 최소화하기 위해서는 기어에 높은 내부강성(재료 강도)이 필요하고, 엄격한 제조 허용오차를 달성해야 하며, 적합한 윤활유를 사용해야 한다. 때로는 랙 앤 피니언 세트를 사전에 설치해야 한다. 백래시를 제거하고 강성을 높이기 위해서다. 정교한 랙 앤 피니언 세트는 오늘날 상당 수준으로 발전한 전자 사전 설치 기능을 활용한다. 이 경우 액추에이터는 두 피니언과 두 모터로 이루어진 단일 랙을 가지고 있으며, 전자제어 기능을 활용해 작동한다. 이 장치는 마찰 손실을 최소화하면서도 백래시 없는 모션을 제공한다. 기존 랙 앤 피니언 장치보다 더 정확하고 에너지 효율이 높은 것은 물론이다.

작동방법은 다음과 같다. 

우선 마스터 및 슬레이브 피니언이 랙 톱니를 반대 방향으로 밀어서 서로의 반대 방향을 향하게 한다. 톱니가 멈추어있는 상태에서 대응 토크 및 저항 혹은 전자 사전 설치를 생성하며, 곧 절정에 이른다. 결과적으로 백래시를 제거한다.

관리자는 시스템이 가속 단계를 지속하는 동안 전자 사전 설치의 양을 줄일 수 있다. 슬레이브 피니언이 사전 설치에 반대하는 힘을 만들어 이를 낮추는 동안 마스터 피니언이 운동을 시작한다. 장치가 가속하면 슬레이브 피니언은 맞은편 치아 쪽으로 변환하며, 두 액추에이터가 나란히 작동한다. 

중요한 점은 이 과정에서도 백래시가 일어나지 않는다는 것. 기존의 사전 설치 과정에서는 두 축을 동시에 작동시킬 수 없었다. 대신 한 피니언이 반대쪽을 밀어내는 방식을 사용해 비능률(inefficiencies) 상태를 만든다.
 

일정 속도로 운동하는 동안 전자적 사전 설치가 비활성화하고, 두 축이 협력해 부하를 해결한다. 관성 및 제품 저항은 백래시 없는 작동을 유지한다.
 

마지막으로 감속 단계에 접어들면서 슬레이브 피니언은 다시 한 번 맞은편 이 쪽으로 변환을 수행한다. 저항을 증가시켜 부하를 느리게 만들고 백래시를 제거한다. 톱니 부분과 측 부분 사이의 접촉이 해제되지 않기 때문에 부하를 변동할 때에도 백래시가 없다.
 

전자 사전 설치 능력을 갖춘 랙 앤 피니언 리니어 액추에이터는 고성능 응용사례를 위해 만들어졌다. 따라서 고가속 운동(High Dynamic Motion)에도 불구하고 정확도와 강성을 달성한다. 

이 장비를 활용할 수 있는 예로는 고성능 절삭 장비·로봇 모션 플랫폼·포털 밀링 머신·기계중심점 프로필 제작·레이저 절삭기 등이 있다.

 

랙 앤 피니언 시스템을 사용하고자 한다면 기술자들은 다양한 매개변수를 고려해야 한다. 움직여야 할 물체의 질량·운동의 종류·가속률 및 최대 리니어 속도·운동 궤적 및 반복률·반복도·정확성 등이 그것이다. 뿐만 아니라 시스템을 사용하는 환경은 어떻게 이루어져있으며, 시스템이 얼마나 오랫동안 작업을 해야 하는지를 명확히 해야 한다.
 

위와 같이 많은 변수를 가지고 알맞은 랙 앤 피니언 설계를 결정하려면 상당한 시간과 비용이 필요하다. 기어 감속기 및 모터 제조업체의 홈페이지와 카탈로그를 참조해 여러 조합에 따른 경우의 수를 계산하는 과정은 매우 지루하고 오류가 생기기도 쉽다. 
 

일부 주요 정밀기어 제조업체는 작업을 간소화할 수 있는 소프트웨어 툴을 제공하고 있다. 예를 들어 Wittenstein이 제공하는 Cymex 소프트웨어를 사용하면, 기술자가 기본적인 랙 앤 피니언 설계에 필요한 몇몇 사항을 입력하는 것만으로 감속기와 모터의 종류와 크기를 구할 수 있다. 이동하는 질량·부하 각도·마찰력·피니언 크기·재료·능률 등 여러 매개변수를 입력할 수 있다. 사용자는 시간/거리, 거리/속도, 시간/속도 등 다양한 방법으로 주기를 설정할 수 있다. 다른 입력사항으로 최대 속도·최대 가속도·동일 장소에 체류하는 시간(Dwell Time)·외부에서 작용하는 힘/각도 등이 있다. 
 

Cymex는 모든 구성요소 무리·관성 모멘트 무리·투과비·강성·백래시·베어링 수명·최소 및 최대 속도·최소 및 최대 토크·가속도·토크 개요 등을 계산한다. 운동 특성·특수한 기능·기어 감속기와 모터에 필요한 다른 사항들을 계산할 수도 있다.
 

소프트웨어는 모션 개요 특성을 생성할 수 있다. 이를 통해 수백 개의 서보 모터 및 감속기 데이터베이스를 검색해 가장 적합한 기어 감속기와 모터를 추천한다. 또한 계산한 결과를 저장할 수 있어 다른 드라이브 및 응용사례에 맞추어 다시 계산할 때 원래 드라이브 시스템을 다시 계산할 필요 없이 이전 결과를 불러와 비교할 수 있다.

설정 및 설치

랙 앤 피니언 세트에 장착할 수 있는 옵션은 다양하다. 대부분의 랙이 기본적인 설치 옵션을 통해 적합하고 알맞은 성능을 낼 수 있다. 뿐만 아니라 일부 랙은 정확성을 유지하기 위해 여러 장착 표면을 가지고 있다. 

각 설계가 가지고 있는 유연성을 활용해 더 나은 제어를 실현한다. 직접 구동 리니어 모터와는 달리 랙 앤 피니언 세트는 피니언 크기·기어 비율·폐회로 제어를 안정화하기 위한 제동 등을 수정할 수 있다.

여기엔 위험 역시 존재한다. 피니언과 랙 치아를 너무 멀리 떨어지게 놓으면 백래시를 일으키게 되며, 정밀도 저하로 이어진다. 완전하지 않거나 배열이 어긋난 설치 역시 기어박스 베어링에 충격을 주고, 모터 전류와 소음을 높이며, 고장을 일으킨다. 최고 성능을 유지하기 위해 피니언과 랙 사이에 적정거리를 확보하고, 평평한 표면 위에 장착하며, 기어박스와 25㎛ 이내로 수직으로 설치한다.
 

랙 앤 피니언 기어의 발전과 서보 장비 가격의 감소는 서보 모터가 랙 앤 피니언 시스템과 짝을 이룰 수 있음을 시사한다. 스테퍼 모터와의 조합 역시 고려할 수 있지만, 정밀도를 위해서는 서보 모터와 연결함이 더욱 바람직하다.

관성에 대한 몇 가지 생각

기계로 작동하는 리니어 모션 시스템은 일반적으로 상당히 효율적이다. 하지만 기술자들은 각 제품 카탈로그에 나온 능률 등급결정을 보면서 전효율을 개별 등급의 합이라고 상정하고는 한다. 이는 완벽히 속은 셈이다. 기술자들은 관성의 영향 또한 반드시 확인해야 한다.

예를 들어 서보 모터와 커플링 그리고 기어헤드로 이루어진 시스템은 높은 관성 모멘트와 낮은 기계적 강성을 갖는 경향이 있다. 이 경우에는 낮고 튼튼한 관성과 짝을 지어야 한다. 모터 관성과 부하 관성 사이의 비율을 약 1:3 정도로 맞추면 훌륭하게 작업을 수행할 수 있다.
 

이와 대조적으로 커플링을 제거하고 피니언과 모터 축을 직접 결합한 액추에이터는 비틀리고 젖혀지는 강성을 높임으로써 백래시 한계점에 쉽게 도달한다. 이 때는 전체적으로 관성을 낮추고 강성을 높여 허용 관성 비율을 10:1 정도로 맞추는 것이 좋다.
 

이는 설계 기술자의 경우 같은 응용사례에서 더 작은 모터를 사용할 수 있게 만드는 요인이다. 동시에 에너지 소비가 적은 반면 전반적 효율성도 낮아짐을 시사한다. Wittenstein이 제공하는 TPM/RPM 서보 모터 라인을 예를 들 수 있다.
 

모터와 한 쌍의 기어 그리고 하중을 준비하고, 샤프트와 세 장치를 직접적으로 연결하는 간단한 장치를 고려할 수도 있다. 하지만 역학 작업(Dynamic Tasks)의 경우 토크의 요구사항은 구동렬(Drivetrain)에 반응하는 전체 질량에 달려있다. 따라서 기술자들은 부하 관성과 모터 관성 사이를 비교해야 한다.
 

결합 계수 λ는 관성 일치 혹은 불일치로 표현하며 모터의 관성 모멘트 외부와 관성 모멘트 사이의 상관관계를 나타낸다. 효율성은 η = λ/(1 + λ)으로 정의한다.
 

도표는 구동렬의 관성을 통해 전력과 구동렬의 관성 사이의 관계를 나타내고 있다. 결합 계수 λ는 모터 관성과 외부 요인과의 상관관계를 나타낸다.
 

‘구동력 효율’ 도표는 전력에 대해  토크가 드라이브 트레인과 관성 모멘트의 질량과 비례함을 나타낸다. 이는 시스템 전체의 관성을 촉진할 때에는 전력 및 효율성이라는 측면을 고려해야 함을 시사한다. 대부분의 사람들은 1:1의 관성비가 이상적일 것이라고 생각한다. 하지만 도표를 참조하면 전체 전력의 50%가량만이 부하에 인계됨을 알 수 있다. 이런 시스템은 정말 비효율적인 시스템이라고 할 수 있다.
 

하지만 적절한 제어·고 강성·낮은 백래시 등을 통해 시스템이 더 높은 관성 불일치에도 작동할 수 있게 된다. 따라서 하중을 가하기 위해 더 적은 모터를 사용할 수 있다. 더 많은 에너지를 부하에 직접적으로 전달할 수 있는 것. 이를 통해 모터는 가격이 낮아지고 효율성이 높아졌을 뿐 아니라 같은 출력을 만들어내는 데에 더 적은 에너지를 필요로 하게 된다.