똑바로 정확하게 움직이는 것은 결코 쉬운 일이 아니다.

직선적이고 정확한 움직임은 결코 쉬운 일이 아니며 선형 위치 지정 장치는 1차원이 아닌 3차원에서 오류를 범함으로써 이를 증명합니다.

"선형 운동"이라는 개념을 완벽하게 이해했다고 생각했던 바로 그 순간, 곧장 직선 코스에서 필요한 지점을 통과하면 끝입니다. 그런데 나머지 5개의 자유도가 나타나 파티를 망치기 시작합니다. 대략적으로 보면, 선형 캐리지는 주로 한 축(X축이라고 하죠)을 따라 이동합니다. 하지만 모든 부품에는 결함이 있으며, 정확성과 정밀성에 대한 요구가 점점 커짐에 따라 세부 사항에 대한 주의도 그에 맞춰 더욱 발전해야 합니다.

시스템 정확도를 철저히 설명하려면 X, Y, Z축의 이동과 이를 중심으로 한 회전이라는 여섯 가지 자유도를 모두 고려해야 합니다.

배치에 대한 우려

우선, 주요 위치 매개변수에 대한 명확한 정의를 내려보겠습니다. 대부분의 엔지니어는 정확도, 반복성, 분해능이라는 용어에 익숙하지만, 실무에서는 흔히 오용되고 있습니다. 정확도는 세 가지 중 달성하기 가장 어려운 것이며, 그 다음으로 반복성, 마지막으로 분해능입니다. 정확도는 움직이는 시스템이 명령 위치, 즉 이론적인 XYZ 공간에 있는 정확한 위치에 얼마나 근접하는지를 설명합니다.

반면, 반복성 또는 정밀도는 무작위 방향에서 동일한 위치로 이동하려는 연속적인 시도 사이의 오차를 나타냅니다. 완벽하게 반복 가능한 선형 시스템은 매우 부정확할 수 있습니다. 명령된 위치에서 상당히 떨어진 동일한 위치에 지속적으로 도달할 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 예압이 큰 팔로워 너트를 사용하지만 피치 또는 "리드" 오차가 큰 리드 스크류는 반복성은 좋지만 정확도는 낮을 수 있습니다. 예압은 너트를 축 위치에 단단히 고정하여 백래시를 줄이거나 제거하고 너트와 하중이 스크류 축 회전에 따라 일관되게 이동하도록 합니다. 그러나 피치 오차는 의도된 회전-병진 관계를 어지럽히므로 시스템이 부정확해집니다.

분해능은 실현 가능한 최소 이동 단위입니다. 예를 들어, 명령 위치가 2μm 떨어져 있지만 시스템의 분해능이 4μm인 경우, 정확도는 2μm보다 좋을 수 없습니다. 이러한 상황에서 시스템은 원하는 위치로 더 가까이 이동할 분해능을 갖지 못합니다.

시스템이 정확하려면 모든 구성 요소가 정확하고, 반복 가능하며, 충분한 분해능을 제공해야 합니다. 시스템이 우수한 "선도" 정확도를 제공하더라도 반복성은 낮을 수 있습니다(즉, 시스템이 명령 지점을 중심으로 무작위로 산란하는 경우). 전체 시스템 정확도는 반복성보다 좋을 수 없습니다.

가이드 측정

선형 운동 장치는 두 가지 필수 구성 요소, 즉 선형 가이드와 추력 생성 장치로 구성됩니다. 가이드는 3차원 공간에서 사용 가능한 6자유도 중 5자유도의 운동을 제한합니다. 이상적인 가이드는 Y축과 Z축으로의 이동을 허용하지 않으며, 어떤 축에 대한 회전도 허용하지 않습니다. 물론 추력 장치(일반적으로 리드 또는 볼 스크류)는 구속되지 않은 축으로만 운동을 생성하도록 설계되었습니다. 이 두 구성 요소의 정확도를 개별적으로 평가한 후 결과를 결합하여 전체 정확도를 결정하는 것이 편리합니다.

먼저 가이드를 살펴보겠습니다. 선형 가이드는 여러 가지 오류 원인으로 인해 어려움을 겪을 수 있습니다. 상하 또는 좌우 곡률, 즉 평탄도와 직진도의 편차, 수직 런아웃, 그리고 가이드와 팔로워 사이의 불연속성 등이 있습니다.

평탄도와 직진도는 일반적으로 크기가 가장 크기 때문에 가장 흔한 문제입니다. 완벽하게 제작된 가이드는 XY 평면에 평행한 평면을 따라 이동하고, 더 나아가 X축에 평행한 선을 따라 이동합니다. 평탄도 오차는 본질적으로 XY 평면으로부터의 편차입니다. 한 방향 또는 두 방향의 단순 곡률을 포함할 수 있습니다. 평탄도 오차는 항상 Z(수직) 축을 기준으로 이동을 발생시킵니다. 곡률의 방향에 따라 Y축을 기준으로 피치 회전, X축을 기준으로 롤(2차원 휨의 경우) 또는 둘 다를 유발할 수 있습니다. 휨은 또한 원하는 동작에 수직인 Y축으로 약간의 이동을 발생시킬 수 있습니다.

직진성 오류는 캐리지의 이동선이 X축과 평행하지 않고 ±Y 방향으로 휘어지는 결과를 초래합니다. Y축 변위 외에도 Z축을 중심으로 요 회전이 발생합니다.

수직 런아웃은 리니어 가이드가 이동하면서 높이가 체계적으로 변하는 현상입니다. 이는 베어링 표면 제조상의 부정확성으로 인해 Z축 방향으로 이동이 발생하기 때문일 수 있습니다. 대부분의 가이드 제조업체는 직진도와 함께 평탄도 또는 수직 런아웃을 명시합니다. 리니어 가이드는 회전 없이도 Y축 또는 Z축 방향으로 순간적인 이동을 유도할 수 있지만, 그 크기는 일반적으로 작습니다. 리니어 가이드 팔로워는 길이 방향으로 결함을 분산시켜 원하는 운동 방향에 대한 갑작스러운 이동을 억제하는 경향이 있습니다.

회전이 정확도에 미치는 영향은 관심 지점이 위치 기준 장치(리드 스크류 자체 또는 피드백에 사용되는 선형 스케일)를 기준으로 어디에 위치하는지에 따라 달라집니다. 두 경우 모두, 장치의 위치는 원하는 이동 방향과 평행한 측정선을 형성합니다. 그러나 선형 운동 시스템의 목표 지점인 관심 지점은 측정선에서 오프셋될 수 있습니다. 따라서 회전은 각 지점에서 서로 다른 호 길이를 발생시킵니다. 또한, 실제 이동 거리는 회전량과 오프셋에 따라 스케일에 기록된 거리와 달라집니다. 오프셋이 클수록 회전으로 인한 이동 오차(아베 오차)가 커집니다. 리드 스크류 자체를 기준 장치로 사용하면 측정선은 중앙에 위치합니다. 그러나 일반적으로 선형 인코더가 사용되며 측면에 장착됩니다. 이는 관심 지점의 위치(캐리지 및 리드 스크류와 항상 정렬되는 것은 아님)에 따라 아베 오차 조건을 악화시키거나 개선할 수 있습니다.

반면, 불연속성과 수직 런아웃으로 인한 Y축과 Z축의 순수 이동 오차는 관심 지점에 관계없이 일정하게 유지됩니다. 회전 오차는 훨씬 더 기만적일 수 있습니다. 일반적으로 더 정밀한 가이드를 갖춘 위치 결정 시스템을 구축하는 것보다 오프셋을 최소화하는 것이 더 쉽고 비용 효율적입니다.

운전 오류

추력은 다양한 방식으로 생성될 수 있습니다. 일반적인 고정밀 장치로는 리드 스크류, 볼 스크류, 선형 모터가 있습니다. 리드 스크류와 볼 스크류는 그 특성상 특정 유형의 오차를 발생시킵니다. 스크류가 회전하면 팔로워가 나선형 경로를 따라 이동하며 회전 운동을 선형 운동으로 변환합니다. 나선 각도가 완벽하지 않기 때문에 과소 또는 과대 이동이 예상됩니다. 이는 순환적(2π 오차라고 함)이거나 체계적(300mm 이동당 평균 오차로 측정)일 수 있습니다. 또한 진동이나 이동 변화의 중간 주파수가 있을 수 있습니다. 평균 오차는 컨트롤러 보정을 통해 쉽게 제거할 수 있습니다. 중간 및 순환 오차는 제거하기가 매우 어렵습니다. C3 등급 정밀 연삭 스크류의 평균 또는 체계적 오차는 8μm이고 2π 오차는 6μm입니다. 정밀도가 낮은 스크류의 경우, 2π 오차는 평균 오차에 비해 중요하지 않으므로 보고되지 않습니다. 모든 위치 결정 등급 리드 스크류에 대해 평균 "리드" 오차가 표시됩니다.

리드 스크류 또는 볼 스크류를 선형 엔코더와 함께 사용하여 실제 위치를 컨트롤러에 피드백할 수 있습니다. 이렇게 하면 스크류 나사산 형상에 초고정밀도를 적용할 필요가 없습니다. 따라서 스케일 성능과 제어 루프 튜닝이 선형 정확도의 제한 요소가 됩니다.

선형 모터는 선형 인코더 또는 기타 감지 장치의 피드백을 기반으로 동작을 제어합니다. 피드백 장치의 정확도와 분해능은 시스템 정확도를 제한하며, 모든 서보 애플리케이션에서 중요한 요소인 시스템 튜닝 또한 마찬가지입니다. 튜닝을 위해 데드 밴드를 선택하여 캐리지가 이 범위 내의 위치에 도달하면 헌팅을 멈춥니다. 이는 정착 시간을 단축하지만 장치의 반복성과 분해능을 저하시킵니다. 그럼에도 불구하고 시스템 백래시, 정지 마찰, 처짐 등을 유발하는 중간 기계적 요소가 없기 때문에 선형 모터는 리드 또는 볼 스크류 구동 시스템의 정확도를 능가할 수 있습니다.

부분의 합

한 이동 축을 따라 전체 정확도를 결정하려면 가이드 오차와 추력 장치 오차를 합산해야 합니다. 회전 오차는 관심 지점에서 평행 이동 오차로 변환됩니다. 이 오차는 같은 방향의 다른 평행 이동 오차와 합산될 수 있습니다.

아베 오차는 회전축을 중심으로 한 총 각도 변화량의 탄젠트에 오프셋 거리를 곱하여 계산합니다. 각 회전에 대해 오프셋은 회전축에 수직인 평면에서 측정해야 합니다. 아베 오차를 사실상 제거하는 유일한 방법은 피드백 장치를 관심 지점에 배치하는 것입니다.

가이드의 이동 오차가 각 방향으로 계산되면 이를 추력 장치의 오차와 합칠 수 있는데, 이는 X축을 따라서만 오차에 영향을 미치며 전체 시스템 오차를 정량화합니다.

단축 선형 모션 장치를 분석하는 경우, 각 방향의 이동 오차를 위치 요구 사항과 간단히 비교할 수 있습니다. 어떤 축에 허용할 수 없는 오차가 있는 경우, 해당 축의 오차 요소를 하나씩 해결할 수 있습니다.

시스템이 여러 개의 선형 모션 어셈블리가 있는 다축인 경우 관심 지점은 여전히 ​​하나뿐입니다.각 축에 대해 동일합니다.관심 지점에서 가장 먼 축은 아베 오차가 발생할 가능성이 가장 높습니다.각 단계의 변환 오차는 관심 지점에서 합산되어 전체 시스템 오차를 결정할 수 있습니다.그러나 축 간의 직교성도 이제 고려해야 합니다.이렇게 하면 순수한 변환이 생성됩니다.예를 들어 XY 스테이지의 경우 X에 대한 Y축의 기울기는 Y축이 이동할 때 추가적인 X 변환을 생성합니다.이는 삼각법을 사용하거나 오프셋을 직접 측정하여 결정할 수 있습니다.회전과 달리 변환은 오프셋, 즉 관심 지점까지의 거리와 무관하다는 점을 기억하십시오.직교성 오프셋을 전체 오차 예산에 직접 추가할 수 있습니다.

마지막으로, "정확도"라는 용어는 비교적 자유롭게 사용되며, 해석의 여지가 있는 경우가 많다는 점을 명심해야 합니다. 때로는 인용된 정확도 사양이 위치 조정 나사만을 고려하기도 합니다. 이러한 개략적인 표현은 오해의 소지가 있습니다. 예를 들어, 설계자는 실제로 문제의 원인이 아베 오차(Abbé error)에 있는데도 불구하고 평균 리드 오차를 개선하여 시스템 정확도를 향상시키려고 할 수 있습니다. 이는 최적의 접근 방식이 아닙니다. 오차 원인을 파악하면 간단하고 경제적인 기하학적 해결책이 있는 경우가 많습니다.