스텝퍼 모터 리니어 액추에이터(SMLA)는 스텝퍼 모터, 정밀 리드 스크류 및 너트를 하나의 컴팩트한 패키지에 결합하여, 리니어 모션에 대해 높은 구성 가능성과 맞춤형 솔루션, 그리고 강력한 내구성을 제공합니다. 모션 컨트롤러와 스테퍼 드라이버의 도움으로 모든 SMLA는 하중을 정확한 위치에 배치하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 그러나 표준 구성에는 모션이 완료되었는지 여부를 알려주는 피드백 메커니즘이 제공되지 않습니다.
많은 어플리케이션에서 필수는 아니지만, 피드백은 보다 정교한 리니어 모션 시스템에서 강력한 도구가 될 수 있습니다. 이러한 이유와 정밀한 하중 위치 정보에 대한 수요 증가로 인해, SMLA에 인코더를 장착하는 것은 어플리케이션의 실시간 모션 피드백을 얻기 위한 효과적이고 간단한 솔루션이 될 수 있습니다.
SMLA 핵심 구성
그림 1은 가장 일반적인 SMLA 구성 세 가지를 보여줍니다: 스크류 회전식 (MLS), 너트 회전식 (MLN), 액추에이터 (MLA). 이들 각각의 구성은 스테퍼 모터, 리드 스크류 및 너트를 핵심으로 가지고 있지만, 모션을 얻는 방식이 다릅니다.
그림 1. SMLA 유형(왼쪽에서 오른쪽으로: MLS, MLN, MLA). 이미지 제공: Thomson Industries, Inc.
MLS 유닛의 경우, 리드 나사가 모터 샤프트에 직접 연결되어 회전에 따라 너트를 이동시킵니다. MLN 유닛은 모터 샤프트 내부에 너트를 통합하여 회전 시 너트 대신 리드 스크류를 이동시킵니다. MLA 구성은 본질적으로 리드 스크류 너트를 수용하는 추가 부품이 장착된 MLS 유닛으로, 일체형 서포트 및 가이드를 제공합니다.
개방 루프 리니어 액추에이션
그림 2는 모든 구성에 적용되는 개방 루프 SMLA 아키텍처를 나타냅니다. 사용자는 휴먼 머신 인터페이스(HMI)를 통해 시스템과 상호작용합니다. 원하는 모션 시퀀스를 모션 컨트롤러에 프로그래밍하면, 모션 컨트롤러는 이를 스테퍼 모터 드라이브로 전송하여 변환 및 증폭한 후, SMLA로 전송하여 이동을 수행합니다. 통신 경로는 단방향이며, 모션 컨트롤러나 HMI는 이동이 성공적으로 완료되었는지에 대한 알림을 받지 않습니다.
그림 2: SMLA를 구동하기 위한 기본 개방 루프 시스템 설정 아키텍처. 이미지 제공: Thomson Industries, Inc.
의료 기기, 측정 장비 및 실험실 장비와 같은 고정밀 어플리케이션에서는 하중의 정확한 위치를 파악하는 것이 매우 중요합니다. 또한, 특정 어플리케이션은 예기치 않게 전원이 꺼지거나 하중이 강제로 위치에서 벗어나는 경우가 발생할 수 있습니다. 이러한 상황에서 피드백 메커니즘을 사용하지 않으면 하중의 정확한 위치를 알 수 없습니다.
인코더의 기능이 유용한 어플리케이션의 좋은 예로는 자동 피페팅 기계가 있습니다. (그림 3) 이 기기는 수평 축에 인코더를 사용하여 디스펜싱 피페의 위치를 정확하게 추적하고, 액체가 올바른 시험관으로 전달되도록 보장합니다. 이 외에도 유체 펌프, 3D 프린터 및 XY 스테이지가 인코더를 활용하는 대표적인 예입니다.
그림 3: 자동 피페팅 기계는 수평 축에 인코더를 활용할 수 있습니다. 이미지 제공: Thomson Industries, Inc.
광학식 로터리 인코더를 사용한 폐쇄형 루프 제어
많은 SMLA에 로터리 인코더를 추가하여 피드백 기능을 제공할 수 있습니다. 로터리 인코더는 샤프트 인코더라고도 하며, 샤프트의 각 위치를 아날로그 또는 디지털 출력 신호로 변환합니다. 광학식 로터리 인코더는 SMLA 조립품에 피드백 기능을 추가하기 위한 가장 일반적인 옵션입니다. 그림 4는 인코더를 SMLA에 추가하여 컨트롤러에 피드백을 제공하고 위치, 속도 또는 방향과 같은 중요한 모션 데이터를 공유하는 방법을 보여줍니다.
그림 4: SMLA를 구동하기 위한 기본 폐쇄형 루프 시스템 설정의 아키텍처. 이미지 제공: Thomson Industries, Inc.
인코더로 위치 측정하기
로터리 인코더는 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다: 증분형(Incremental) 인코더와 절대형(Absolute) 인코더입니다. (그림 5)
증분형 로터리 인코더는 샤프트에 연결된 회전 디스크를 사용하며, 이 디스크는 광원과 광센서 사이에 배치됩니다. 디스크 주변에 균일하게 배열된 다수의 슬릿을 통해 센서로 빛이 전달되며, 이 빛의 패턴은 모션 특성을 나타내는 펄스로 변환됩니다.
더 정밀한 모션 데이터 또는 전원 손실 시 보호 기능이 필요한 어플리케이션에는 절대형 인코더가 유리합니다. 절대형 인코더도 증분형 인코더와 마찬가지로 모터 샤프트와 함께 회전하도록 중앙에 장착되며, 광원과 광센서 사이에 위치합니다. 그러나 절대형 인코더는 균일하게 배열된 슬릿 대신, 훨씬 넓은 디스크 표면에 고유한 패턴으로 배치된 복잡한 개구부를 사용합니다. 이 개구부는 빛 신호를 방해하며, 검출 칩이 각 스트로크의 각도 위치를 높은 정확도로 해석할 수 있도록 패턴을 읽어냅니다. 이로 인해 별도의 홈 장치가 없어도 위치를 정확하게 확인할 수 있습니다.
그림 5: 증분형(왼쪽)과 절대형(오른쪽) 인코더의 동작 과정이 위에 설명되어 있습니다. 이미지 제공: Thomson Industries, Inc.
로터리 인코더 구현
많은 경우에 인코더는 모든 SMLA 구성 유형(MLS, MLN 및 MLA)에 통합될 수 있습니다. 인코더 본체를 장착할 평평한 표면과 광학식 디스크를 장착할 샤프트만 필요합니다. 이 샤프트는 원래 모터 샤프트의 연장선이어야 하며, 이를 통해 광학 디스크가 모터와 함께 회전하여 모터의 동작을 정확하게 포착할 수 있습니다. 그림 6에서 이를 확인할 수 있습니다.
그림 6: 필요한 돌출 샤프트와 장착 표면을 갖춘 인코더를 모터에 설치. 이미지 제공: Thomson Industries, Inc.
광학식 인코더가 추가된 SMLA (왼쪽부터: MLS, MLN 및 MLA). 이미지 제공: Thomson Industries, Inc.
성능 향상
개방형 루프 SMLA 시스템은 많은 애플리케이션에 적합하지만, 스테퍼 모터 사용자가 하중 위치에 대한 실시간 피드백을 원할 경우 인코더를 모터에 추가하는 것을 고려해야 합니다. 인코더는 위치 피드백뿐만 아니라 속도, 방향 및 기타 특성에 대한 실시간 데이터를 제공하며, 하중의 제어 및 모니터링을 개선할 수 있습니다. 기본적인 위치 피드백이 필요하다면 증분형 인코더를 선택하면 되지만, 고정밀 또는 장비가 전원이 켜졌을 때 위치를 유지할 수 있는 기능이 필요하다면 절대형 인코더를 고려해야 합니다.
광학식 로터리 인코더를 통해 피드백 루프를 완성하면 오늘날의 정밀 애플리케이션 요구를 충족시킬 뿐만 아니라, SMLA가 Industry 4.0과 디지털 연결 혁신의 진화하는 환경에서 가치 있는 구성 요소로 자리매김하게 하여, 차세대 산업 자동화에서도 그들의 지속적인 관련성과 효율성을 보장합니다.