1. 개요

기계 시스템의 모션은 물체가 어떤 경로를 따라 움직이는가뿐 아니라, 얼마나 빠르게 움직이는가, 속도가 어떻게 변하는가, 어느 위치에서 정지하는가, 목표 위치를 얼마나 정확하게 추종하는가에 따라 서로 다른 특성을 가진다.

운동 궤적에 따른 분류가 직선, 회전, 원호, 곡선과 같은 공간상의 이동 경로를 중심으로 한다면, 속도 및 위치 특성에 따른 분류는 다음과 같은 질문을 중심으로 한다.

• 속도가 일정하게 유지되는가

• 속도가 단계적으로 또는 연속적으로 변하는가

• 가속과 감속이 어떻게 이루어지는가

• 목표 위치만 중요하고 이동 경로는 중요하지 않은가

• 이동 중 전체 경로를 정확하게 따라야 하는가

• 절대 위치와 상대 위치 중 어떤 기준을 사용하는가

• 정지 후 위치가 안정될 때까지 얼마나 시간이 필요한가

• 명령 위치와 실제 위치 사이의 오차는 어느 정도인가

• 동일한 위치로 반복 이동할 때 편차는 얼마나 발생하는가

• 외부 물체나 다른 축의 위치를 추종해야 하는가

동일한 직선 이송축이라도 정속 컨베이어, 점대점 위치 결정축, 연속 경로 가공축, 추종축은 서로 다른 구동 방식과 제어 구조를 요구한다.

따라서 속도 및 위치 특성은 다음 항목을 결정하는 핵심 설계 기준이다.

• 모터 용량

• 감속기 선정

• 위치 센서 및 엔코더 선정

• 제어기 성능

• 위치 정밀도

• 반복 정밀도

• 사이클 타임

• 제품 품질

• 진동과 충격

• 기계 구조의 강성

• 비상 정지 성능

2. 운동 궤적, 시간 특성, 속도 및 위치 특성의 차이

2.1 운동 궤적

운동 궤적은 물체가 공간에서 지나가는 경로를 의미한다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 직선 경로

• 원호 경로

• 원형 경로

• 나선 경로

• 곡선 경로

• 3차원 공간 경로

2.2 시간 특성

시간 특성은 운동이 언제 시작되고, 얼마나 지속되며, 어떤 주기로 반복되는지를 나타낸다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 연속 운동

• 간헐 운동

• 주기 운동

• 이벤트 구동 운동

• 동기 운동

• 단속 운동

2.3 속도 특성

속도 특성은 물체의 이동 속도가 시간과 위치에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 정속 운동

• 가변속 운동

• 가속 운동

• 감속 운동

• 저속 접근 운동

• 고속 이송 운동

• 단계 속도 운동

• 속도 추종 운동

2.4 위치 특성

위치 특성은 목표 위치의 정의 방식과 위치 제어 방법을 나타낸다.

대표적인 예는 다음과 같다.

• 점대점 위치 결정

• 연속 경로 제어

• 절대 위치 이동

• 상대 위치 이동

• 인덱스 위치 이동

• 다점 위치 결정

• 위치 추종

• 원점 복귀

• 위치 유지

하나의 모션은 이러한 특성을 동시에 가질 수 있다.

예를 들어 서보모터로 구동되는 볼스크루 이송축은 다음과 같이 표현할 수 있다.

• 궤적 특성: 직선 운동

• 시간 특성: 간헐 운동

• 속도 특성: 사다리꼴 또는 S-커브 속도

• 위치 특성: 절대 위치 점대점 제어

3. 속도 및 위치 특성의 기본 분류 체계

속도 및 위치 특성은 다음과 같은 기준으로 나누어 분석할 수 있다.

3.1 속도 유지 방식에 따른 분류

• 정속 운동

• 가변속 운동

• 단계 속도 운동

• 저속 운동

• 고속 운동

• 크리프 운동

3.2 속도 변화 방식에 따른 분류

• 등가속 운동

• 등감속 운동

• 가감속 운동

• 사다리꼴 속도 운동

• 삼각형 속도 운동

• S-커브 속도 운동

• 급정지 운동

3.3 속도 관계에 따른 분류

• 독립 속도 운동

• 속도 동기 운동

• 비율 속도 운동

• 속도 추종 운동

• 마스터·슬레이브 운동

3.4 위치 명령 방식에 따른 분류

• 절대 위치 이동

• 상대 위치 이동

• 증분 위치 이동

• 원점 기준 이동

• 티칭 위치 이동

3.5 위치 결정 방식에 따른 분류

• 점대점 위치 결정

• 다점 위치 결정

• 인덱스 위치 결정

• 연속 경로 위치 제어

• 위치 추종 운동

• 위치 유지 운동

3.6 제어 정밀도 특성에 따른 분류

• 개방 루프 위치 제어

• 폐쇄 루프 위치 제어

• 단일 피드백 제어

• 이중 피드백 제어

• 직접 위치 검출 제어

4. 속도의 기본 개념

4.1 직선 속도

직선 속도는 단위 시간당 위치 변화량이다.

v = dx / dt

각 기호의 의미는 다음과 같다.

• v: 직선 속도

• x: 위치 또는 이동 거리

• t: 시간

• dx / dt: 시간에 따른 위치 변화율

평균 속도는 다음과 같이 계산할 수 있다.

v_avg = 이동 거리 / 이동 시간

예를 들어 500 mm를 2초 동안 이동하면 평균 속도는 다음과 같다.

v_avg = 500 mm / 2 s = 250 mm/s

4.2 회전 속도

회전 운동에서는 각속도 또는 분당 회전수를 사용한다.

ω = dθ / dt

• ω: 각속도

• θ: 회전각

• t: 시간

분당 회전수는 일반적으로 rpm으로 표현한다.

4.3 선속도와 회전 속도의 관계

회전체의 반경과 각속도를 알고 있으면 끝단의 선속도를 계산할 수 있다.

v = r × ω

• v: 선속도

• r: 회전 반경

• ω: 각속도

같은 회전 속도에서도 회전 반경이 커질수록 끝단의 선속도는 증가한다.

5. 정속 운동

5.1 정의

정속 운동은 물체의 속도가 일정하게 유지되는 운동이다.

이상적인 정속 운동에서는 가속도가 0이다.

a = 0

5.2 주요 특징

• 제품 이동 속도가 일정하다.

• 공정 시간을 예측하기 쉽다.

• 속도 변화로 인한 충격이 적다.

• 연속 공정에 적합하다.

• 부하 변화가 발생하면 속도 편차가 생길 수 있다.

5.3 대표적인 적용 사례

• 벨트 컨베이어

• 롤러 컨베이어

• 연속 절단 장치

• 일정 속도 교반기

• 펌프

• 스크루 피더

• 필름 공급 장치

• 연속 생산 라인

5.4 설계 시 고려사항

• 목표 속도

• 속도 편차

• 부하 변동

• 모터 슬립

• 감속기 효율

• 속도 센서

• 장시간 속도 안정성

• 제품 미끄럼

정속 운전에서는 모터 자체의 회전 속도가 일정해도 벨트 미끄럼이나 제품과 벨트 사이의 슬립에 의해 실제 제품 속도가 달라질 수 있다.

6. 가변속 운동

6.1 정의

가변속 운동은 공정 조건이나 운전 명령에 따라 속도가 변경되는 운동이다.

속도는 단계적으로 변하거나 연속적으로 변할 수 있다.

6.2 주요 특징

• 생산 조건에 따라 속도를 조절할 수 있다.

• 제품 종류에 따라 운전 속도를 변경할 수 있다.

• 공정 구간별로 다른 속도를 적용할 수 있다.

• 속도 변화 시 가속과 감속 조건이 필요하다.

• 속도 제어기의 응답 성능이 중요하다.

6.3 대표적인 적용 사례

• 인버터 구동 컨베이어

• 서보 이송축

• 가변속 믹서

• 가변 유량 펌프

• 제품 종류별 속도 변경 장치

• 공정 조건에 따라 속도가 달라지는 절단기

6.4 설계 시 고려사항

• 최소 속도

• 최대 속도

• 속도 조절 범위

• 저속 토크

• 속도 변경 시간

• 속도 안정성

• 모터 냉각

• 감속기 허용 회전수

7. 단계 속도 운동

7.1 정의

단계 속도 운동은 여러 개의 미리 설정된 속도 중 하나를 선택하여 운전하는 방식이다.

속도가 연속적으로 변하는 것이 아니라 일정 단계로 전환된다.

7.2 대표적인 속도 단계

• 저속

• 중속

• 고속

• 접근 속도

• 작업 속도

• 복귀 속도

7.3 주요 특징

• 제어가 비교적 단순하다.

• 공정별 속도 설정이 쉽다.

• 연속 가변속보다 설정 관리가 용이하다.

• 속도 전환 시 충격이 발생할 수 있다.

• 각 속도 단계 사이에 가감속 구간이 필요하다.

7.4 대표적인 적용 사례

• 고속 접근 후 저속 작업

• 저속 검사 후 고속 복귀

• 2단 또는 3단 컨베이어

• 공압 실린더의 고속·저속 전환

• 드릴의 접근·가공·복귀 운동

8. 저속 운동

8.1 정의

저속 운동은 정밀한 위치 결정, 안정적인 접촉 또는 안전한 작업을 위해 낮은 속도로 움직이는 운동이다.

8.2 주요 특징

• 위치 오차를 줄이기 쉽다.

• 충격과 진동이 작다.

• 작업자와 가까운 영역에서 안전성을 높일 수 있다.

• 마찰과 스틱슬립의 영향을 받을 수 있다.

• 모터의 저속 토크와 제어 분해능이 중요하다.

8.3 대표적인 적용 사례

• 원점 탐색

• 정밀 위치 접근

• 조립 직전 접근

• 금형 맞춤

• 제품 접촉

• 검사 위치 이동

• 유지보수 조그 운전

8.4 설계 시 고려사항

• 저속 토크

• 속도 리플

• 스틱슬립

• 감속기 백래시

• 엔코더 분해능

• 마찰 변화

• 윤활 상태

9. 크리프 운동

9.1 정의

크리프 운동은 목표 위치나 접촉 지점에 접근할 때 매우 낮은 속도로 이동하는 운동이다.

일반적인 저속 운동보다 더 정밀한 위치 접근을 목적으로 한다.

9.2 주요 목적

• 목표 위치 초과 방지

• 충돌 충격 감소

• 원점 센서 정밀 검출

• 접촉력 감소

• 위치 반복성 향상

• 안전한 기계 조정

9.3 대표적인 적용 사례

• 원점 복귀의 최종 접근

• 금형 닫힘 직전

• 클램프 접촉 직전

• 측정 프로브 접근

• 제품 정렬 위치 접근

• 로봇의 정밀 삽입 작업

9.4 설계 시 고려사항

• 크리프 속도

• 센서 응답 시간

• 제동 거리

• 마찰

• 위치 분해능

• 정지 지연

• 제어기 스캔 시간

10. 고속 운동

10.1 정의

고속 운동은 사이클 타임 단축과 생산성 향상을 위해 높은 속도로 수행되는 운동이다.

10.2 주요 특징

• 이동 시간을 단축할 수 있다.

• 관성력과 진동이 증가한다.

• 제동 거리가 길어진다.

• 구조물의 강성과 고유진동수가 중요하다.

• 센서와 제어기의 응답 성능이 중요하다.

• 케이블과 호스의 반복 굽힘 부담이 증가한다.

10.3 대표적인 적용 사례

• 고속 픽앤플레이스

• 포장기 제품 이송

• 분류 장치

• 고속 커터

• 델타 로봇

• 고속 리니어 모터 축

• 반도체 장비

10.4 설계 시 고려사항

• 최고 속도

• 최대 가속도

• 제동 거리

• 프레임 강성

• 가이드 허용 속도

• 볼스크루 임계 회전수

• 벨트 진동

• 케이블 수명

• 비상 정지 성능

11. 가속 운동

11.1 정의

가속 운동은 속도가 시간에 따라 증가하는 운동이다.

가속도는 다음과 같이 표현한다.

a = dv / dt

11.2 주요 특징

• 속도 변화에 따라 관성력이 발생한다.

• 모터에 추가 토크가 필요하다.

• 가속 시간이 짧을수록 필요한 토크가 증가한다.

• 제품의 미끄럼이나 흔들림이 발생할 수 있다.

11.3 필요한 가속력

가속에 필요한 힘은 다음과 같이 계산할 수 있다.

F = m × a

• F: 가속력

• m: 이동 질량

• a: 가속도

회전축에서는 가속에 필요한 토크를 다음과 같이 표현할 수 있다.

T = J × α

• T: 가속 토크

• J: 관성 모멘트

• α: 각가속도

11.4 설계 시 고려사항

• 이동 질량

• 부하 관성

• 가속 시간

• 최대 토크

• 모터 전류

• 제품 미끄럼

• 구조물 변형

• 진동

12. 감속 운동

12.1 정의

감속 운동은 이동 중인 물체의 속도를 감소시키는 운동이다.

감속은 목표 위치 정지, 방향 전환 또는 안전 정지를 위해 사용된다.

12.2 주요 특징

• 감속 과정에서 제동력이 필요하다.

• 관성 에너지가 모터 또는 브레이크로 전달된다.

• 급감속 시 충격과 진동이 증가한다.

• 정지 오차와 오버슈트에 영향을 준다.

12.3 대표적인 적용 사례

• 목표 위치 접근

• 컨베이어 정지

• 로봇 정지

• 회전축 감속

• 비상 정지

• 인덱스 테이블 정지

12.4 설계 시 고려사항

• 감속도

• 제동 거리

• 회생 에너지

• 브레이크 저항

• 기계식 브레이크

• 제품 미끄럼

• 정지 위치 오차

• 구조물 충격

13. 사다리꼴 속도 운동

13.1 정의

사다리꼴 속도 운동은 가속, 정속, 감속의 세 구간으로 구성된다.

속도와 시간의 그래프가 사다리꼴 형태를 가지므로 사다리꼴 속도 프로파일이라고 한다.

13.2 운동 구간

1. 가속 구간

2. 정속 구간

3. 감속 구간

13.3 주요 특징

• 구현이 비교적 간단하다.

• 이동 시간 계산이 쉽다.

• 대부분의 서보 및 스테핑모터 위치 제어에 사용된다.

• 가속도가 갑자기 변할 수 있다.

• 고속 장비에서는 충격과 진동이 발생할 수 있다.

13.4 대표적인 적용 사례

• 볼스크루 위치 결정축

• 벨트 이송축

• XY 테이블

• 자동 조립 장치

• CNC 이송축

• 픽앤플레이스 장치

14. 삼각형 속도 운동

14.1 정의

삼각형 속도 운동은 이동 거리가 짧아 정속 구간에 도달하지 못하고, 가속 후 즉시 감속하는 운동이다.

14.2 주요 특징

• 짧은 이동 거리에서 발생한다.

• 정속 구간이 없다.

• 최고 속도보다 가속 성능이 중요하다.

• 짧은 스트로크 반복 장치에 적합하다.

14.3 대표적인 적용 사례

• 짧은 거리의 픽앤플레이스

• 소형 푸셔

• 짧은 스트로크 실링 장치

• 고속 분류 장치

• 소형 서보 액추에이터

15. S-커브 속도 운동

15.1 정의

S-커브 속도 운동은 가속도의 변화율인 저크를 제한하여 속도를 부드럽게 증가시키고 감소시키는 운동이다.

저크는 다음과 같이 표현한다.

j = da / dt

• j: 저크

• a: 가속도

• t: 시간

15.2 주요 특징

• 충격이 작다.

• 진동 발생이 적다.

• 제품 흔들림을 줄일 수 있다.

• 기계 구조의 피로를 줄일 수 있다.

• 정밀 위치 결정에 유리하다.

• 사다리꼴 프로파일보다 제어가 복잡하다.

15.3 대표적인 적용 사례

• 액체 용기 이송

• 식품 트레이 이송

• 반도체 장비

• 정밀 조립 장치

• 고속 로봇

• 대형 이동축

• 유리 및 취성 재료 이송

16. 급정지 운동

16.1 정의

급정지 운동은 정상 감속보다 짧은 시간에 속도를 0으로 감소시키는 운동이다.

비상 정지, 충돌 회피 또는 위험 감지 시 사용된다.

16.2 주요 특징

• 매우 큰 감속력이 발생한다.

• 구조물과 제품에 충격이 가해질 수 있다.

• 브레이크와 모터에 큰 부하가 발생한다.

• 정지 위치보다 안전 확보가 우선된다.

16.3 설계 시 고려사항

• 비상 정지 거리

• 최대 감속도

• 브레이크 토크

• 회생 에너지

• 기계 강성

• 제품 이탈

• 축 간 충돌

• 정전 시 제동 방식

17. 독립 속도 운동

17.1 정의

독립 속도 운동은 각 축 또는 장치가 다른 축과 직접적인 속도 관계를 갖지 않고 개별적으로 운전되는 방식이다.

17.2 대표적인 적용 사례

• 독립 컨베이어

• 개별 펌프

• 독립 팬

• 여러 개의 독립 작업 스테이션

• 버퍼가 있는 생산 라인

17.3 주요 특징

• 제어 구조가 단순하다.

• 개별 장치의 속도를 독립적으로 조정할 수 있다.

• 장치 사이에 속도 불균형이 발생할 수 있다.

• 제품 정체를 방지하기 위한 버퍼가 필요할 수 있다.

18. 속도 동기 운동

18.1 정의

속도 동기 운동은 두 개 이상의 축이 동일하거나 일정한 비율의 속도로 움직이는 운동이다.

18.2 주요 특징

• 축 간 속도 관계를 일정하게 유지한다.

• 제품과 가공 장치의 속도를 일치시킬 수 있다.

• 속도 오차가 누적되면 위치 차이가 발생할 수 있다.

• 엔코더 피드백이 중요하다.

18.3 대표적인 적용 사례

• 이중 구동 컨베이어

• 포장 필름 공급축

• 인쇄 롤러

• 동기 벨트 축

• 다중 롤러

• 전자 기어 시스템

18.4 속도 비율

마스터축과 슬레이브축의 속도 관계는 다음과 같이 표현할 수 있다.

v_slave = R × v_master

• v_slave: 슬레이브축 속도

• v_master: 마스터축 속도

• R: 속도 비율

19. 속도 추종 운동

19.1 정의

속도 추종 운동은 한 축이 다른 축 또는 이동 물체의 속도를 실시간으로 측정하여 동일하거나 비례하는 속도로 따라가는 운동이다.

19.2 대표적인 적용 사례

• 컨베이어 추종 로봇

• 플라잉 커터

• 이동 중 라벨 부착

• 이동 제품 검사

• 연속 포장 장치

• 웹 장력 제어

19.3 주요 특징

• 실시간 속도 측정이 필요하다.

• 통신 및 제어 지연이 중요하다.

• 속도 변화에 빠르게 대응해야 한다.

• 추종 오차가 위치 오차로 누적될 수 있다.

19.4 속도 오차

속도 오차는 다음과 같이 표현할 수 있다.

e_v = v_cmd - v_act

• e_v: 속도 오차

• v_cmd: 명령 속도

• v_act: 실제 속도

20. 절대 위치 이동

20.1 정의

절대 위치 이동은 하나의 고정된 기준점에서 측정한 목표 좌표로 이동하는 방식이다.

현재 위치와 관계없이 목표 위치가 절대 좌표로 지정된다.

20.2 예시

현재 위치가 100 mm일 때 다음 명령을 수행한다고 가정한다.

목표 위치 = 500 mm

절대 위치 이동에서는 축이 500 mm 위치로 이동한다.

실제 이동 거리는 다음과 같다.

이동 거리 = 500 mm - 100 mm = 400 mm

20.3 주요 특징

• 프로그램 이해가 쉽다.

• 여러 공정 위치를 관리하기 쉽다.

• 기준 원점이 명확해야 한다.

• 원점 손실 시 위치 정보가 잘못될 수 있다.

20.4 대표적인 적용 사례

• CNC 장비

• 로봇

• 다점 위치 결정 장치

• 자동 조립기

• 서보 인덱스 장치

21. 상대 위치 이동

21.1 정의

상대 위치 이동은 현재 위치를 기준으로 지정된 거리만큼 이동하는 방식이다.

증분 위치 이동이라고도 한다.

21.2 예시

현재 위치가 100 mm이고 상대 이동 명령이 +500 mm이면 최종 위치는 다음과 같다.

최종 위치 = 100 mm + 500 mm = 600 mm

21.3 주요 특징

• 반복적인 동일 거리 이동에 적합하다.

• 현재 위치가 이동의 기준이 된다.

• 반복 오차가 누적될 수 있다.

• 제품 피치 이송에 유리하다.

21.4 대표적인 적용 사례

• 제품 피치 이송

• 일정 길이 절단

• 반복 스텝 이동

• 컨베이어 인덱싱

• 스크루 피더 정량 회전

22. 원점 기준 이동

22.1 정의

원점 기준 이동은 기계가 기준 위치를 검출한 후 모든 위치 좌표를 설정하는 방식이다.

원점은 위치 제어의 기준이 된다.

22.2 원점 복귀 과정

일반적인 원점 복귀는 다음과 같이 이루어진다.

1. 고속으로 원점 센서 방향 이동

2. 원점 센서 검출

3. 반대 방향으로 이탈

4. 저속 또는 크리프 속도로 재접근

5. 엔코더 원점 또는 센서 위치 확정

6. 현재 좌표를 기준 위치로 설정

22.3 주요 특징

• 위치 좌표 체계를 초기화한다.

• 전원 투입 후 수행되는 경우가 많다.

• 반복 정밀도가 중요하다.

• 센서 히스테리시스와 접근 속도의 영향을 받는다.

22.4 설계 시 고려사항

• 원점 센서 종류

• 접근 방향

• 접근 속도

• 센서 반복 정밀도

• 엔코더 Z상 사용 여부

• 원점 오프셋

• 기계적 스토퍼

23. 점대점 위치 결정

23.1 정의

점대점 위치 결정은 시작 위치와 목표 위치만 중요하고, 이동 중간의 경로는 상대적으로 중요하지 않은 위치 제어 방식이다.

Point-to-Point Motion 또는 PTP Motion이라고 한다.

23.2 주요 특징

• 목표 위치 도달이 핵심이다.

• 이동 중 경로 오차는 비교적 중요하지 않다.

• 최대한 짧은 시간에 위치를 변경할 수 있다.

• 자동화 장비에 가장 널리 사용된다.

23.3 대표적인 적용 사례

• 픽앤플레이스

• 제품 이송

• 자동 조립기

• 인덱스 테이블

• 실린더 대체 서보축

• 공구 교환 장치

23.4 설계 시 고려사항

• 목표 위치

• 이동 시간

• 가감속 조건

• 위치 오버슈트

• 정착 시간

• 반복 정밀도

• 위치 유지 토크

24. 다점 위치 결정

24.1 정의

다점 위치 결정은 하나의 축 또는 장치가 여러 개의 사전 설정 위치로 순차적으로 이동하는 방식이다.

24.2 대표적인 위치

• 대기 위치

• 제품 투입 위치

• 작업 위치

• 검사 위치

• 배출 위치

• 청소 위치

• 유지보수 위치

24.3 주요 특징

• 위치 데이터를 테이블로 관리할 수 있다.

• 제품 종류에 따라 위치 설정을 변경할 수 있다.

• 각 위치별 속도와 가속도를 다르게 설정할 수 있다.

• 위치 간 이동 순서가 중요하다.

24.4 대표적인 적용 사례

• 다단 승강 장치

• 로봇 포지셔너

• 자동 창고

• 다공정 조립기

• 다점 충진 장치

• 다단 절단 장치

25. 인덱스 위치 결정

25.1 정의

인덱스 위치 결정은 일정한 거리 또는 각도만큼 이동한 후 정확한 위치에서 정지하는 운동이다.

25.2 주요 특징

• 일정 피치 이동을 반복한다.

• 이동과 정지가 반복된다.

• 정지 위치의 반복 정밀도가 중요하다.

• 기계식 인덱서 또는 서보축으로 구현할 수 있다.

25.3 대표적인 적용 사례

• 로터리 인덱스 테이블

• 터릿

• 제품 피치 이송

• 포장 필름 피드

• 자동 조립 장치

• 다공정 가공 장비

25.4 설계 시 고려사항

• 인덱스 거리

• 인덱스 각도

• 정지 시간

• 위치 반복성

• 최대 허용 관성

• 정지 강성

• 기계적 잠금

26. 연속 경로 위치 제어

26.1 정의

연속 경로 위치 제어는 시작점과 끝점뿐 아니라 이동 중 전체 경로의 위치를 지속적으로 제어하는 방식이다.

Continuous Path Motion 또는 CP Motion이라고 한다.

26.2 주요 특징

• 이동 중 경로 정확도가 중요하다.

• 여러 축이 동시에 보간된다.

• 속도와 위치를 동시에 제어해야 한다.

• 곡률에 따라 속도 조절이 필요하다.

• 제어기 연산 성능이 중요하다.

26.3 대표적인 적용 사례

• CNC 가공

• 로봇 용접

• 레이저 절단

• 도장 로봇

• 접착제 도포

• 윤곽 가공

• 복잡한 형상의 절단

26.4 대표적인 보간 방식

• 직선 보간

• 원호 보간

• 나선 보간

• 스플라인 보간

• 다축 보간

26.5 설계 시 고려사항

• 경로 오차

• 보간 주기

• 축 간 동기

• 코너 감속

• 곡률 반경

• 추종 오차

• 제어기 처리 속도

27. 위치 추종 운동

27.1 정의

위치 추종 운동은 한 축이 다른 축, 이동 물체 또는 외부 기준의 위치를 실시간으로 따라가는 운동이다.

27.2 대표적인 적용 사례

• 컨베이어 추종 로봇

• 플라잉 커터

• 이동 제품 포장

• 전자 캠

• 웹 장력 제어

• 마스터·슬레이브 위치 제어

27.3 주요 특징

• 실시간 위치 입력이 필요하다.

• 추종 지연이 발생할 수 있다.

• 명령 위치와 실제 위치의 차이가 중요하다.

• 통신 지연과 제어 주기의 영향을 받는다.

27.4 위치 오차

위치 오차는 다음과 같이 표현한다.

e_p = x_cmd - x_act

• e_p: 위치 오차

• x_cmd: 명령 위치

• x_act: 실제 위치

위치 추종 장치에서는 위치 오차가 일정 기준을 초과하면 경보 또는 정지가 필요할 수 있다.

28. 위치 유지 운동

28.1 정의

위치 유지 운동은 목표 위치에 도달한 후 외력이나 중력에 의해 위치가 변하지 않도록 유지하는 제어 방식이다.

28.2 대표적인 적용 사례

• 수직 승강축

• 클램프 축

• 로봇 관절

• 프레스 위치 유지

• 인덱스 테이블

• 높이 조정 장치

28.3 위치 유지 방식

• 모터 유지 토크

• 서보 위치 제어

• 전자 브레이크

• 기계식 브레이크

• 웜 감속기

• 클램핑 장치

• 기계식 잠금 핀

28.4 설계 시 고려사항

• 외부 하중

• 중력 하중

• 유지 토크

• 모터 발열

• 정전 시 위치 유지

• 브레이크 수명

• 미세 진동

• 위치 드리프트

29. 개방 루프 위치 제어

29.1 정의

개방 루프 위치 제어는 실제 위치를 직접 측정하여 보정하지 않고, 입력 명령과 구동량을 기준으로 위치를 결정하는 방식이다.

29.2 대표적인 시스템

• 스테핑모터

• 펄스 모터

• 단순 공압 실린더

• 기계식 스토퍼

• 캠 위치 결정 장치

29.3 주요 특징

• 구조가 단순하다.

• 비용이 낮다.

• 실제 위치 오차를 직접 검출하지 못한다.

• 스텝 손실이나 미끄럼이 발생하면 위치 오차가 누적된다.

• 하중 변화에 민감할 수 있다.

29.4 적합한 조건

• 하중 변화가 작다.

• 위치 정밀도 요구가 높지 않다.

• 기계적 스토퍼가 존재한다.

• 저비용 구성이 중요하다.

• 이동 속도와 가속도가 낮다.

30. 폐쇄 루프 위치 제어

30.1 정의

폐쇄 루프 위치 제어는 엔코더, 리니어 스케일 또는 위치 센서를 이용하여 실제 위치를 측정하고, 명령 위치와의 오차를 보정하는 방식이다.

30.2 주요 특징

• 위치 오차를 실시간으로 보정한다.

• 높은 위치 정밀도를 확보할 수 있다.

• 부하 변화에 대응할 수 있다.

• 제어기와 센서 구성이 복잡하다.

• 튜닝이 필요하다.

30.3 대표적인 시스템

• AC 서보모터

• 폐쇄 루프 스테핑모터

• 리니어 모터

• 유압 서보 시스템

• 로봇 관절

• CNC 이송축

30.4 설계 시 고려사항

• 엔코더 분해능

• 제어 게인

• 추종 오차

• 오버슈트

• 정착 시간

• 공진

• 센서 노이즈

• 제어 주기

31. 반폐쇄 루프와 완전 폐쇄 루프

31.1 반폐쇄 루프

반폐쇄 루프는 모터 엔코더를 사용하여 모터축 위치를 검출하는 방식이다.

모터 회전 위치는 정확하게 제어할 수 있지만, 볼스크루 리드 오차, 백래시, 커플링 변형, 구조 변형은 직접 검출하지 못한다.

31.2 완전 폐쇄 루프

완전 폐쇄 루프는 실제 이동 테이블이나 작업물의 위치를 리니어 스케일로 직접 측정하는 방식이다.

31.3 비교

32. 위치 분해능

32.1 정의

위치 분해능은 시스템이 구분하거나 명령할 수 있는 최소 이동 단위이다.

32.2 스크루 이송축의 분해능

스크루 리드와 모터의 1회전당 펄스 수를 이용하면 펄스당 이동량을 계산할 수 있다.

펄스당 이동량 = 스크루 리드 / 1회전당 펄스 수

예를 들어 스크루 리드가 10 mm이고, 1회전당 명령 펄스가 10,000펄스라면 다음과 같다.

펄스당 이동량 = 10 mm / 10,000 = 0.001 mm

즉, 이론적인 명령 분해능은 1 μm이다.

32.3 실제 분해능에 영향을 주는 요소

• 엔코더 분해능

• 전자 기어비

• 스크루 리드

• 감속비

• 백래시

• 마찰

• 구조 변형

• 센서 노이즈

이론적인 명령 분해능이 높더라도 실제 위치 정밀도가 동일하게 높아지는 것은 아니다.

33. 위치 정확도

33.1 정의

위치 정확도는 명령한 목표 위치와 실제 도달 위치 사이의 차이를 의미한다.

위치 오차는 다음과 같이 표현한다.

e_p = x_cmd - x_act

33.2 위치 정확도에 영향을 주는 요소

• 볼스크루 리드 오차

• 감속기 오차

• 백래시

• 열팽창

• 구조 변형

• 엔코더 오차

• 제어기 보정

• 하중 변화

• 조립 오차

33.3 위치 정확도 향상 방법

• 리니어 스케일 사용

• 백래시 보정

• 리드 오차 보정

• 온도 보정

• 기계 구조 강성 향상

• 정밀 감속기 사용

• 서보 튜닝

• 정밀 조립

34. 반복 정밀도

34.1 정의

반복 정밀도는 동일한 조건에서 동일한 목표 위치로 여러 번 이동했을 때 도달 위치의 편차를 의미한다.

위치 정확도와 반복 정밀도는 서로 다른 개념이다.

34.2 위치 정확도와 반복 정밀도의 차이

위치 정확도가 낮아도 동일한 위치에 반복적으로 도달하면 반복 정밀도는 높을 수 있다.

예를 들어 목표 위치가 100 mm인데 항상 100.2 mm에 정지한다면 다음과 같이 평가할 수 있다.

• 위치 정확도: 낮음

• 반복 정밀도: 높음

34.3 반복 정밀도에 영향을 주는 요소

• 센서 반복성

• 백래시

• 마찰 변화

• 하중 변화

• 접근 방향

• 온도 변화

• 서보 정착

• 기계 유격

35. 백래시

35.1 정의

백래시는 운동 방향이 반전될 때 구동부의 유격으로 인해 입력이 출력으로 즉시 전달되지 않는 현상이다.

35.2 백래시 발생 부위

• 기어

• 감속기

• 볼스크루 너트

• 랙과 피니언

• 체인

• 커플링

• 링크 관절

35.3 주요 영향

• 방향 반전 시 위치 오차

• 반복 정밀도 저하

• 진동과 충격

• 경로 오차

• 서보 불안정

35.4 저감 방법

• 예압 볼스크루

• 정밀 감속기

• 듀얼 피니언

• 백래시 보정

• 한 방향 접근

• 기계적 예압

• 직접 구동

36. 오버슈트와 언더슈트

36.1 오버슈트

오버슈트는 이동체가 목표 위치를 초과한 후 다시 목표 위치로 돌아오는 현상이다.

36.2 언더슈트

언더슈트는 이동체가 목표 위치에 도달하지 못하고 부족한 위치에서 정지하거나, 보정 과정에서 목표 위치 아래로 지나치는 현상이다.

36.3 발생 원인

• 높은 제어 게인

• 구조물의 낮은 강성

• 높은 관성

• 감쇠 부족

• 백래시

• 센서 지연

• 급격한 감속

36.4 저감 방법

• 서보 게인 조정

• S-커브 프로파일 사용

• 감속 시간 증가

• 구조 강성 향상

• 진동 필터

• 피드포워드 제어

• 부하 관성비 개선

37. 정착 시간

37.1 정의

정착 시간은 이동체가 목표 위치에 도달한 후 허용 위치 오차 범위 안에서 안정될 때까지 필요한 시간이다.

37.2 주요 영향

정착 시간이 길어지면 실제 이동 시간은 짧아도 전체 사이클 타임이 증가한다.

전체 위치 결정 시간은 다음과 같이 표현할 수 있다.

T_positioning = t_move + t_settle

• T_positioning: 전체 위치 결정 시간

• t_move: 이동 시간

• t_settle: 정착 시간

37.3 정착 시간에 영향을 주는 요소

• 구조 강성

• 부하 관성

• 서보 게인

• 가감속 조건

• 잔류 진동

• 감쇠

• 백래시

• 프레임 진동

38. 추종 오차

38.1 정의

추종 오차는 이동 중 명령 위치와 실제 위치 사이에 발생하는 차이이다.

정지 상태의 위치 오차와 달리 운동 중의 동적 오차를 의미한다.

e_follow = x_cmd - x_act

38.2 추종 오차가 증가하는 조건

• 높은 속도

• 높은 가속도

• 낮은 모터 토크

• 큰 부하 관성

• 낮은 제어 게인

• 통신 지연

• 구조물 변형

• 마찰 변화

38.3 주요 영향

• 경로 오차

• 동기 오차

• 가공 품질 저하

• 절단 위치 오차

• 포장 위치 불일치

• 로봇 추종 성능 저하

39. 속도 및 위치 특성별 대표 적용 비교

40. 속도 및 위치 특성 선정 기준

40.1 공정 조건

• 연속 공정인가

• 정지 상태에서 작업하는가

• 이동 중 가공이 필요한가

• 목표 위치만 중요한가

• 전체 이동 경로가 중요한가

• 제품 속도를 다른 장치와 일치시켜야 하는가

40.2 속도 조건

• 최소 속도

• 최대 속도

• 정속 운전 여부

• 가변속 범위

• 가속 시간

• 감속 시간

• 크리프 속도

• 급정지 조건

40.3 위치 조건

• 목표 위치

• 이동 거리

• 위치 개수

• 절대 또는 상대 위치

• 원점 기준

• 위치 유지 시간

• 접근 방향

40.4 정밀도 조건

• 위치 정확도

• 반복 정밀도

• 위치 분해능

• 속도 정확도

• 경로 정확도

• 추종 오차

• 정착 시간

40.5 하중 조건

• 이동 질량

• 회전 관성

• 편심 하중

• 수직 하중

• 마찰

• 외력

• 충격 하중

40.6 기계 구조 조건

• 프레임 강성

• 가이드 강성

• 볼스크루 리드

• 감속기 백래시

• 커플링 강성

• 열 변형

• 진동 특성

40.7 제어 조건

• 개방 루프 또는 폐쇄 루프

• 엔코더 분해능

• 위치 센서

• 제어 주기

• 네트워크 지연

• 보간 기능

• 전자 캠

• 원점 복귀 기능

41. 설계 검증 항목

41.1 속도 검증

• 목표 속도 도달 여부

• 최소 속도 안정성

• 최고 속도 허용 여부

• 속도 변동

• 부하 변화에 따른 속도 편차

• 가속과 감속 시간

41.2 위치 검증

• 위치 정확도

• 반복 정밀도

• 절대 위치 오차

• 상대 이동 오차

• 원점 반복성

• 위치 유지 성능

41.3 동적 성능 검증

• 추종 오차

• 오버슈트

• 정착 시간

• 방향 반전 오차

• 잔류 진동

• 급정지 성능

41.4 기계 구조 검증

• 백래시

• 구조 변형

• 볼스크루 임계 회전수

• 축의 비틀림

• 가이드 허용 속도

• 베어링 수명

• 감속기 강성

41.5 제어 성능 검증

• 엔코더 분해능

• 제어 주기

• 서보 게인

• 통신 지연

• 보간 성능

• 위치 피드백 이상

• 센서 노이즈

41.6 안전 검증

• 비상 정지 거리

• 정전 시 위치 유지

• 수직축 낙하 방지

• 속도 제한

• 안전 위치

• 충돌 방지

• 소프트웨어 리미트

• 하드웨어 리미트

42. 주요 속도 및 위치 관련 수식

직선 속도

v = dx / dt

직선 속도는 시간에 따른 위치 변화율이다.

평균 속도

v_avg = 이동 거리 / 이동 시간

평균 속도는 전체 이동 거리를 이동 시간으로 나눈 값이다.

각속도

ω = dθ / dt

각속도는 시간에 따른 회전각의 변화율이다.

선속도와 각속도

v = r × ω

선속도는 회전 반경과 각속도의 곱이다.

가속도

a = dv / dt

가속도는 시간에 따른 속도 변화율이다.

가속력

F = m × a

가속력은 이동 질량과 가속도의 곱이다.

가속 토크

T = J × α

가속 토크는 관성 모멘트와 각가속도의 곱이다.

속도 오차

e_v = v_cmd - v_act

속도 오차는 명령 속도와 실제 속도의 차이이다.

위치 오차

e_p = x_cmd - x_act

위치 오차는 명령 위치와 실제 위치의 차이이다.

전체 위치 결정 시간

T_positioning = t_move + t_settle

전체 위치 결정 시간은 이동 시간과 정착 시간의 합이다.

펄스당 이동량

펄스당 이동량 = 스크루 리드 / 1회전당 펄스 수

펄스당 이동량은 위치 명령의 이론적인 최소 단위를 나타낸다.

스크루 이동 거리

x = n × L

• x: 축 방향 이동 거리

• n: 회전수

• L: 스크루 리드

43. 결론

속도 및 위치 특성에 따른 모션 분류는 단순히 물체가 빠르게 또는 느리게 움직이는지를 구분하는 것이 아니다.

속도 특성은 운동 중 속도가 어떻게 유지되고 변화하는지를 나타내며, 위치 특성은 목표 위치가 어떻게 정의되고 실제 위치가 어떻게 제어되는지를 나타낸다.

정속 운동은 연속적인 생산 흐름에 적합하고, 가변속 운동은 제품과 공정 조건에 유연하게 대응할 수 있다. 저속 및 크리프 운동은 정밀한 위치 접근과 안전한 접촉에 적합하며, 고속 운동은 생산성을 높일 수 있지만 관성력, 진동 및 제동 성능을 함께 검토해야 한다.

점대점 위치 결정은 목표 위치 도달이 중요한 자동화 장비에 적합하고, 연속 경로 제어는 CNC 가공, 용접, 절단과 같이 이동 중 전체 경로의 정밀도가 중요한 시스템에 적합하다.

절대 위치 이동은 전체 좌표계에서 위치를 관리하기 쉽고, 상대 위치 이동은 일정한 피치나 거리를 반복 이송하는 장치에 적합하다. 위치 추종 운동과 속도 동기 운동은 다른 축이나 제품의 움직임과 정밀한 관계를 유지해야 하는 고속 자동화 장비에서 중요하다.

또한 위치 정밀도, 반복 정밀도, 분해능, 백래시, 추종 오차, 오버슈트 및 정착 시간은 서로 다른 개념이다. 이들 항목을 분리하여 검토해야 실제 장비의 성능을 정확하게 평가할 수 있다.

따라서 속도 및 위치 특성에 따른 모션 설계에서는 다음 요소를 종합적으로 검토해야 한다.

• 최소 및 최대 속도

• 정속 및 가변속 조건

• 가속도와 감속도

• 저크

• 목표 위치

• 절대 및 상대 좌표

• 위치 정확도

• 반복 정밀도

• 위치 분해능

• 백래시

• 추종 오차

• 오버슈트

• 정착 시간

• 엔코더 및 위치 센서

• 개방 루프 및 폐쇄 루프 제어

• 비상 정지 거리

• 정전 시 위치 유지

좋은 모션 설계는 단순히 목표 위치에 도달하는 시스템을 만드는 것이 아니다. 요구된 속도로 안정적으로 이동하고, 이동 중 경로와 속도를 정확하게 유지하며, 목표 위치에서 과도한 오버슈트와 진동 없이 정지하고, 동일한 동작을 반복적으로 수행할 수 있도록 만드는 것이다.

속도 및 위치 특성은 생산성, 정밀도, 안정성, 안전성 및 장비 수명을 함께 결정하는 핵심적인 모션 설계 기준이다.