곧고 정확한 움직임은 결코 쉽지 않습니다.

직선적이고 정확한 움직임은 결코 쉽지 않으며, 선형 위치 결정 장치는 한 차원뿐 아니라 세 차원에서 오차를 발생시킨다는 점에서 이를 여실히 보여줍니다.

직선 운동이라는 개념을 완전히 이해했다고 생각하는 순간, 즉 직선 코스의 필요한 지점을 정확히 통과하면 되는 줄 알았던 순간, 나머지 다섯 개의 자유도가 난관을 만들어냅니다. 대략적인 관점에서 보면, 직선 캐리지는 주로 한 축(X축)을 따라 이동하는 것이 맞지만, 모든 엔지니어링 부품에는 불완전성이 존재하며, 정확성과 정밀도에 대한 요구가 점점 높아짐에 따라 세부적인 부분에 대한 관심도 그에 맞춰 향상되어야 합니다.

시스템의 정확도를 완벽하게 설명하려면 X, Y, Z축을 중심으로 한 병진 운동과 이 축을 중심으로 한 회전 운동을 포함한 6개의 자유도를 모두 고려해야 합니다.

배치 관련 우려 사항

우선, 핵심 위치 결정 매개변수에 대한 명확한 정의를 내리도록 하겠습니다. 대부분의 엔지니어는 정확도, 반복성, 분해능이라는 용어에 익숙하지만, 실제로는 잘못 사용되는 경우가 많습니다. 이 세 가지 중 정확도가 가장 달성하기 어렵고, 그 다음으로 반복성, 마지막으로 분해능 순입니다. 정확도는 움직이는 시스템이 이론적인 XYZ 공간상의 정확한 위치인 명령 위치에 얼마나 근접하는지를 나타냅니다.

반면, 반복성 또는 정밀도는 임의의 방향에서 동일한 위치로 이동하려는 연속적인 시도 사이의 오차를 나타냅니다. 완벽하게 반복 가능한 선형 시스템이라도 정확도가 매우 떨어질 수 있습니다. 즉, 동일한 위치에 지속적으로 도달할 수는 있지만, 실제로는 명령된 위치와는 상당히 동떨어진 위치에 있을 수 있습니다. 예를 들어, 팔로워 너트에 큰 예압이 걸린 리드 스크류는 피치 또는 "리드" 오차가 상당할 경우 반복성은 좋지만 정확도가 떨어질 수 있습니다. 예압은 너트를 축 방향으로 고정시켜 백래시를 줄이거나 없애고 스크류 샤프트 회전에 따라 너트와 하중이 일관되게 이동하도록 합니다. 그러나 피치 오차로 인해 의도된 회전-병진 관계가 어긋나므로 시스템의 정확도가 떨어집니다.

해상도는 구현 가능한 최소 이동 증분입니다. 예를 들어, 명령 위치가 2μm 떨어져 있는데 시스템의 해상도가 4μm라면 정확도는 2μm보다 좋을 수 없습니다. 이러한 상황에서는 시스템이 원하는 위치로 더 정밀하게 이동할 수 있는 해상도를 갖추지 못합니다.

시스템이 정확하려면 모든 구성 요소가 정확하고 반복 가능하며 충분한 해상도를 제공해야 합니다. 시스템이 "선행" 정확도는 좋지만 반복성이 떨어지는 경우(즉, 명령 지점을 중심으로 무작위로 산포되는 경우) 전체 시스템 정확도는 반복성보다 좋을 수 없습니다.

안내된 조치

선형 운동 장치는 선형 가이드와 추력 발생 장치라는 두 가지 필수 구성 요소로 이루어져 있습니다. 가이드는 3차원 공간에서 사용 가능한 6자유도 중 5자유도의 운동을 제한하는 역할을 합니다. 이상적인 가이드는 Y축과 Z축 방향으로의 병진 운동이 없고, 모든 축을 중심으로 한 회전 운동도 허용하지 않습니다. 추력 발생 장치(일반적으로 리드 스크류 또는 볼 스크류)는 당연히 제한되지 않은 축 방향으로만 운동을 발생시킵니다. 이 두 구성 요소의 정확도를 각각 평가한 다음 결과를 종합하여 전체 정확도를 결정하는 것이 편리합니다.

먼저 가이드부터 살펴보겠습니다. 선형 가이드는 여러 가지 오차 발생 원인이 있을 수 있습니다. 즉, 상하 또는 좌우 곡률, 평탄도 및 직선도 편차, 수직 흔들림, 그리고 가이드와 팔로워 사이의 단절 등이 있습니다.

평탄도와 직진도는 일반적으로 가장 큰 영향을 미치는 요소이므로 가장 흔한 문제점입니다. 완벽하게 제작된 가이드는 XY 평면에 평행한 평면을 따라 이동하며, 더 나아가 X축에 평행한 선을 따라 이동합니다. 평탄도 오차는 본질적으로 XY 평면에서 벗어난 정도를 의미합니다. 이는 한 방향 또는 두 방향으로의 단순 곡률을 포함할 수 있습니다. 평탄도 오차는 항상 Z(수직)축 방향으로의 변위를 발생시킵니다. 곡률의 방향에 따라 Y축을 중심으로 한 피치 회전, X축을 중심으로 한 롤 회전(2차원 뒤틀림의 경우), 또는 두 가지 모두를 유발할 수 있습니다. 뒤틀림은 또한 원하는 움직임에 수직인 Y축 방향으로의 미미한 변위를 발생시킬 수 있습니다.

직진도 오차로 인해 캐리지의 이동 경로가 X축과 평행하지 않고 ±Y 방향으로 휘어지게 됩니다. 이로 인해 Y축 방향으로의 변위뿐만 아니라 Z축을 중심으로 한 요 회전이 발생합니다.

수직 런아웃은 선형 가이드가 이동함에 따라 높이가 체계적으로 변하는 현상입니다. 이는 베어링 표면 제조상의 부정확성으로 인해 발생할 수 있으며, Z축 방향으로의 변위를 유발합니다. 대부분의 가이드 제조업체는 직진도와 함께 평탄도 또는 수직 런아웃을 표기합니다. 선형 가이드는 회전 없이 순간적인 Y축 또는 Z축 변위를 유발할 수 있지만, 그 크기는 일반적으로 작습니다. 선형 가이드 팔로워는 이러한 불완전성을 가이드 길이를 따라 분산시켜 원하는 이동 방향에 수직인 방향으로의 급격한 변위를 억제하는 경향이 있습니다.

회전이 정확도에 미치는 영향은 위치 기준 장치(리드 스크류 자체 또는 피드백에 사용되는 선형 스케일)에 대한 관심 지점의 상대적 위치에 따라 달라집니다. 어느 경우든, 기준 장치의 위치는 원하는 이동 방향과 평행한 측정선을 형성합니다. 그러나 선형 모션 시스템의 목표 지점인 관심 지점은 측정선에서 벗어날 수 있습니다. 따라서 회전이 발생하면 각 지점에서 호의 길이가 달라집니다. 그리고 실제 이동 거리는 회전량과 오프셋에 따라 스케일에 기록된 거리와 차이가 발생합니다. 오프셋이 클수록 회전으로 인한 변환 오차(아베 오차)가 커집니다. 리드 스크류 자체를 기준 장치로 사용하는 경우 측정선은 중심에 위치합니다. 그러나 일반적으로 선형 엔코더가 사용되며, 측면에 장착됩니다. 이는 관심 지점의 위치(캐리지 및 리드 스크류와 항상 정렬되는 것은 아님)에 따라 아베 오차 발생 조건을 악화시키거나 개선시킬 수 있습니다.

반면, 불연속성과 수직 흔들림으로 인한 Y축 및 Z축의 순수 병진 오차는 관심 지점에 관계없이 일정하게 유지됩니다. 회전으로 인한 오차는 훨씬 더 큰 혼란을 야기할 수 있습니다. 일반적으로 더 정밀한 가이드를 사용하여 위치 결정 시스템을 구축하는 것보다 오프셋을 최소화하는 것이 더 쉽고 비용 효율적입니다.

운전 오류

추력은 다양한 방식으로 발생할 수 있습니다. 일반적인 고정밀 장치로는 리드 스크류, 볼 스크류, 선형 모터 등이 있습니다. 리드 스크류와 볼 스크류는 본질적으로 특정한 유형의 오차를 발생시킵니다. 스크류가 회전함에 따라 팔로워는 나선형 경로를 따라 이동하며 회전 운동을 선형 운동으로 변환합니다. 나선 각도가 완벽하지 않기 때문에 과소 이동 또는 과대 이동이 발생할 수 있습니다. 이러한 오차는 주기적 오차(2π 오차) 또는 계통적 오차(300mm 이동당 평균 오차)일 수 있습니다. 또한 중간 주파수의 진동이나 이동 변동이 발생할 수도 있습니다. 평균 오차는 제어기 보정을 통해 쉽게 제거할 수 있지만, 중간 주파수 오차와 주기적 오차는 제거하기가 상당히 어렵습니다. C3 등급의 정밀 연삭 스크류는 평균 또는 계통적 오차가 8μm이고 2π 오차가 6μm입니다. 정밀도가 낮은 스크류의 경우 2π 오차는 평균 오차에 비해 미미하므로 보고되지 않습니다. 모든 위치 제어 등급의 리드 스크류에 대해 평균 "리드" 오차가 표시됩니다.

리드 스크류 또는 볼 스크류는 선형 엔코더와 함께 사용하여 실제 위치 정보를 컨트롤러에 피드백할 수 있습니다.これにより 스크류 나사산 형상의 초고정밀도가 요구되지 않습니다. 따라서 선형 정확도를 제한하는 요소는 스케일링 능력과 제어 루프 튜닝이 됩니다.

선형 모터는 선형 엔코더 또는 이와 유사한 센싱 장치의 피드백을 기반으로 동작을 제어합니다. 피드백 장치의 정확도와 해상도는 시스템 정확도를 제한하는 요소이며, 서보 애플리케이션에서 중요한 역할을 하는 시스템 튜닝 또한 마찬가지입니다. 튜닝을 위해 데드 밴드를 설정하는데, 캐리지가 이 범위 내의 위치에 도달하면 헌팅이 멈추도록 합니다. 이는 정착 시간을 단축시키지만, 장치의 반복성과 해상도를 저하시킵니다. 그럼에도 불구하고, 시스템에 백래시, 마찰, 편향 등을 유발하는 중간 기계적 요소가 없기 때문에 선형 모터는 리드 스크류나 볼 스크류 구동 시스템보다 높은 정확도를 구현할 수 있습니다.

부분의 합

한 이동축을 따라 전체적인 정확도를 결정하려면 가이드 장치와 추력 장치의 오차를 결합해야 합니다. 회전 오차는 해당 지점에서 병진 오차로 변환됩니다. 그런 다음 이 오차를 동일 방향의 다른 병진 오차와 결합할 수 있습니다.

아베 오차는 회전축을 중심으로 한 전체 각도 변화의 탄젠트 값에 오프셋 거리를 곱하여 계산합니다. 각 회전마다 오프셋은 회전축에 수직인 평면에서 측정해야 합니다. 아베 오차를 사실상 제거하는 유일한 방법은 피드백 장치를 관심 지점에 정확하게 위치시키는 것입니다.

가이드의 병진 오차가 각 방향으로 계산되면, X축 방향으로만 오차를 발생시키는 추력 장치의 오차와 결합하여 전체 시스템 오차를 정량화할 수 있습니다.

단일 축 선형 모션 장치를 분석하는 경우, 각 방향의 병진 오차를 위치 결정 요구 사항과 비교하기만 하면 됩니다. 어느 축에서든 허용할 수 없는 오차가 발생하면 해당 축의 오차 구성 요소를 하나씩 수정하면 됩니다.

여러 개의 선형 운동 어셈블리로 구성된 다축 시스템이라 하더라도, 관심 지점은 하나뿐이며 각 축마다 동일합니다. 관심 지점에서 가장 멀리 떨어진 축일수록 아베 오차가 발생할 가능성이 가장 높습니다. 각 스테이지의 병진 오차는 관심 지점에서 합산하여 전체 시스템 오차를 구할 수 있습니다. 하지만 이제 축 간의 직교성도 고려해야 합니다. 직교성은 순수 병진 운동을 발생시킵니다. 예를 들어 XY 스테이지의 경우, X축에 대한 Y축의 기울기는 Y축 이동 시 추가적인 X축 병진 운동을 발생시킵니다. 이 기울기는 삼각법을 사용하거나 직접 측정하여 구할 수 있습니다. 회전과 달리 병진 운동은 관심 지점까지의 거리인 오프셋과 무관하다는 점을 기억하십시오. 직교성 오프셋은 전체 오차 범위에 직접 더할 수 있습니다.

마지막으로, "정확도"라는 용어가 다소 자유롭게 사용되며 해석의 여지가 있는 경우가 많다는 점을 명심해야 합니다. 때때로 인용되는 정확도 사양은 위치 조정 나사만을 고려한 것일 수 있습니다. 이러한 모호한 표현은 오해를 불러일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 설계자는 평균 리드 오차를 개선하여 시스템 정확도를 높이려고 할 수 있지만, 실제 문제는 아베 오차에 있을 수 있습니다. 이는 최적의 접근 방식이 아닙니다. 오차의 원인을 파악하면 간단하고 경제적인 기하학적 해결책이 있는 경우가 많습니다.