선형 엔코더는 기계적 연결부 하류에서 오류를 수정하여 정확도를 향상시킵니다.

선형 엔코더는 중간 기계 요소 없이 축 위치를 추적합니다. 또한 엔코더는 기계적 연결 장치(예: 회전-선형 기계 장치)에서 발생하는 전달 오차까지 측정하여 제어 시스템이 기계 자체에서 발생하는 오차를 보정할 수 있도록 도와줍니다. 따라서 이러한 피드백을 통해 제어 시스템은 위치 제어 루프 내의 모든 기계적 요소를 고려할 수 있습니다.

인코더에서 광전 스캐닝은 어떻게 작동할까요?

많은 정밀 선형 엔코더는 광학 또는 광전 스캐닝 방식으로 작동합니다. 간단히 말해, 판독 헤드가 폭이 수 마이크로미터에 불과한 주기적인 눈금을 따라 이동하며 짧은 신호 주기를 가진 신호를 출력합니다. 측정 기준은 일반적으로 캐리어 기판에 주기적인 눈금이 새겨진 유리 또는 (측정 길이가 긴 경우) 강철입니다. 이는 비접촉식 위치 추적 방식입니다.

4~40μm 사이의 점진적인 격자 주기를 사용하는 PRC(절대) 코드 이미지 스캐닝 선형 엔코더는 광 신호 생성을 통해 작동합니다. 두 개의 격자(눈금과 스캐닝 레티클)가 서로 상대적으로 움직입니다. 스캐닝 레티클의 재질은 투명하지만, 눈금의 재질은 투명하거나 반사될 수 있습니다. 두 격자가 서로 스쳐 지나갈 때 입사광이 변조됩니다. 격자의 간격이 일치하면 빛이 통과하고, 한 격자의 선이 다른 격자의 간격과 일치하면 빛이 차단됩니다. 광 전지는 빛의 강도 변화를 정현파 형태의 전기 신호로 변환합니다.

8μm 이하의 격자 주기를 갖는 눈금에 대한 또 다른 옵션은 간섭 스캐닝 방식입니다. 이 선형 인코더 작동 모드는 회절과 빛의 간섭을 이용합니다. 0.2μm 높이의 선이 반사면에 새겨진 계단형 격자가 측정 기준으로 사용됩니다. 그 앞에는 눈금 주기와 일치하는 주기를 가진 투명한 격자인 스캐닝 레티클이 있습니다. 빛이 레티클을 통과하면 -1, 0, 1 차수의 거의 동일한 강도를 갖는 세 개의 부분파로 회절됩니다. 눈금은 빛의 강도가 1차와 -1차 회절 차수에 집중되도록 파동을 회절시킵니다. 이 파동들은 레티클의 위상 격자에서 다시 만나 한 번 더 회절되고 간섭합니다. 이렇게 생성된 세 개의 파동은 스캐닝 레티클을 서로 다른 각도로 빠져나갑니다. 그런 다음 광전지 셀이 이 교류하는 빛의 강도를 전기 신호로 변환합니다.

간섭 스캐닝에서 레티클과 스케일 사이의 상대적인 움직임은 회절된 파면의 위상 변화를 일으킵니다. 회절 격자가 한 주기만큼 이동하면 1차 회절 파면은 양의 방향으로 한 파장만큼 이동하고, -1차 회절 파면은 음의 방향으로 한 파장만큼 이동합니다. 이 두 파는 회절 격자를 빠져나갈 때 서로 간섭하므로, 상대적으로 두 파장만큼 위상이 이동합니다 (단 한 주기의 회절 격자 이동으로 두 신호 주기만큼 위상이 변하는 것입니다).

두 가지 인코더 스캐닝 변형

일부 선형 엔코더는 절대 위치 측정을 수행하므로 기계가 작동 중일 때는 항상 위치 값을 사용할 수 있으며, 전자 장치는 언제든지 이 값을 참조할 수 있습니다. 축을 기준점으로 이동할 필요가 없습니다. 눈금은 직렬 절대 코드 구조를 가지며, 위치 값에 대한 별도의 증분 트랙이 보간되는 동시에 선택적으로 증분 신호를 생성합니다.

반면, 증분 측정 방식의 선형 엔코더는 주기적인 격자가 있는 눈금을 사용하며, 엔코더는 기준점에서부터 개별 증분(측정 단계)을 세어 위치를 얻습니다. 이 방식은 위치를 확인하기 위해 절대 기준을 사용하기 때문에, 이러한 방식에 사용되는 눈금 테이프에는 기준 표시가 있는 두 번째 트랙이 있습니다.

기준 마크에 의해 설정된 절대 눈금 위치는 정확히 하나의 신호 주기로 게이팅됩니다. 따라서 판독 헤드는 절대 기준을 설정하거나 마지막으로 선택된 기준점을 찾기 위해 기준 마크를 찾아 스캔해야 합니다(이 과정에서 긴 스트로크의 기준점 스캔이 필요할 수 있습니다).

선형 인코더 반복

선형 엔코더를 기계에 통합할 때 어려운 점 중 하나는 엔코더가 동작 축 바로 앞에서 작동하여 기계 환경에 노출된다는 것입니다. 이러한 이유로 일부 선형 엔코더는 밀봉 구조로 되어 있습니다. 알루미늄 하우징은 스케일, 스캐닝 캐리지 및 가이드웨이를 칩, 먼지 및 유체로부터 보호하고, 아래쪽으로 향하는 탄성 립이 하우징을 밀봉합니다. 스캐닝 캐리지는 마찰이 적은 가이드를 따라 스케일 위를 이동합니다. 커플링은 스캐닝 캐리지와 마운팅 블록을 연결하고 스케일과 기계 가이드웨이 사이의 정렬 불량을 보정합니다. 대부분의 경우 스케일과 마운팅 블록 사이의 수평 및 축 방향 오프셋은 ±0.2mm에서 ±0.3mm까지 허용됩니다.

대표적인 예: 공작기계 응용 분야

생산성과 정확성은 수많은 응용 분야에서 매우 중요하지만, 변화하는 작업 환경으로 인해 이러한 설계 목표 달성이 어려워지는 경우가 많습니다. 공작기계를 예로 들어보겠습니다. 부품 생산이 점점 더 소량 배치 생산으로 전환됨에 따라, 다양한 하중과 스트로크 조건에서도 정확성을 유지하는 설정이 필수적입니다. 특히 항공우주 부품 가공은 가장 까다로운 요구 사항을 충족해야 하는데, 황삭 공정에서는 최대 절삭 능력이, 후속 정삭 공정에서는 최대 정밀도가 요구됩니다.

구체적으로 말하자면, 고품질 금형 밀링에는 빠른 재료 제거 속도와 후가공 후 높은 표면 품질이 요구됩니다. 동시에, 빠른 윤곽 가공 이송 속도만이 허용 가능한 가공 시간 내에 경로 간 최소 거리를 가진 부품을 생산할 수 있게 해줍니다. 하지만 특히 소량 생산의 경우, 열적으로 안정적인 조건을 유지하는 것은 거의 불가능합니다. 드릴링, 황삭, 정삭 작업 간의 전환으로 인해 공작기계 온도가 변동하기 때문입니다.

더욱이, 가공물의 정밀도는 생산 주문의 수익성을 좌우하는 핵심 요소입니다. 황삭 작업 중에는 밀링 속도가 80% 이상으로 향상되지만, 정삭 작업에서는 10% 미만의 값이 흔히 나타납니다.

문제는 가속도와 이송 속도가 점점 높아짐에 따라 기계의 선형 이송 구동 장치, 특히 회전 모터로 구동되는 볼스크류를 사용하는 장치의 하위 구성 요소에서 발열이 발생한다는 것입니다. 따라서 이러한 열적 거동에 대한 공작 기계 보정을 안정화하기 위해서는 위치 측정이 필수적입니다.

열 불안정성 문제를 해결하는 방법

능동 냉각, 대칭형 기계 구조, 온도 측정 및 보정은 열로 인한 정밀도 변화를 해결하는 일반적인 방법입니다. 여기에 더해, 특히 흔히 발생하는 열 드리프트 현상, 즉 재순환 볼스크류를 사용하는 회전 모터 구동 이송축의 열 드리프트를 보정하는 방법도 있습니다. 이 경우, 볼스크류를 따라 온도가 이송 속도와 이동력에 따라 급격하게 변할 수 있습니다. 그 결과 발생하는 길이 변화(일반적으로 20분 이내에 100μm/m)는 가공물에 심각한 결함을 초래할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 볼스크류를 통과하는 수치 제어 이송축의 온도를 로터리 엔코더 또는 리니어 엔코더를 사용하여 측정하는 방법이 있습니다.

기존 방식은 로터리 엔코더를 사용하여 이송 스크류 피치로부터 슬라이드 위치를 결정합니다. 따라서 구동 장치는 큰 힘을 전달하고 측정 시스템의 연결 장치 역할을 하여 매우 정확한 값을 제공하고 스크류 피치를 안정적으로 재현해야 합니다. 그러나 위치 제어 루프는 로터리 엔코더의 동작만을 고려합니다. 마모나 온도 변화로 인한 구동 메커니즘의 변화를 보정할 수 없기 때문에 사실상 반폐쇄 루프 작동 방식입니다. 따라서 구동 장치 위치 오차가 불가피해지고 가공물의 품질이 저하됩니다.

반면, 선형 엔코더는 슬라이드 위치를 측정하고 위치 제어 루프에 완전한 이송 메커니즘을 포함시켜 진정한 폐루프 작동을 구현합니다. 기계의 전달 요소에 발생하는 유격이나 오차는 위치 측정 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 따라서 정확도는 거의 전적으로 선형 엔코더의 정밀도와 설치 상태에 달려 있습니다. 참고로, 직접 엔코더 측정 방식은 회전축 운동 측정의 정확도도 향상시킬 수 있습니다. 기존 방식에서는 모터에 장착된 회전 엔코더에 연결되는 감속 메커니즘을 사용하지만, 고정밀 각도 엔코더를 사용하면 더 높은 정확도와 재현성을 얻을 수 있습니다.

볼스크류 설계에서 열 문제를 해결하는 방법

볼스크류의 열 문제를 해결하기 위한 다른 세 가지 접근 방식에는 각각 한계가 있습니다.

1. 일부 볼스크류는 냉각수 순환을 위한 중공 코어를 사용하여 내부 발열(및 주변 기계 부품의 발열)을 방지합니다. 그러나 이러한 볼스크류조차도 열팽창을 일으키며, 단 1K의 온도 상승만으로도 위치 오차가 10μm/m에 달할 수 있습니다. 이는 일반적인 냉각 시스템으로는 온도 변화를 1K 미만으로 유지할 수 없다는 점에서 매우 중요한 문제입니다.

2. 때때로 엔지니어들은 제어 시스템에서 볼스크류의 열팽창을 모델링합니다. 그러나 작동 중 온도 분포를 측정하기 어렵고, 재순환 볼 너트의 마모, 이송 속도, 절삭력, 이송 범위 및 기타 요인의 영향을 받기 때문에 이 방법은 상당한 잔류 오차(최대 50μm/m)를 유발할 수 있습니다.

3. 일부 볼스크류는 구동 메커니즘의 강성을 높이기 위해 양쪽 끝에 고정 베어링을 사용합니다. 그러나 아무리 강성이 높은 베어링이라도 국부적인 열 발생으로 인한 팽창을 막을 수는 없습니다. 이로 인해 발생하는 힘은 상당하며, 가장 강성이 높은 베어링 구조조차 변형시키고, 심지어 기계 형상에 구조적 변형을 일으키기도 합니다. 기계적 장력은 또한 구동부의 마찰 특성을 변화시켜 기계의 윤곽 정밀도를 저하시킵니다. 더욱이, 반폐쇄 루프 작동 방식은 마모 또는 구동 메커니즘의 탄성 변형으로 인한 베어링 예압 변화의 영향을 보상할 수 없습니다.