1. 개요

기계 시스템의 모션은 물체가 어떤 경로를 따라 움직이는가뿐 아니라, 언제 움직이고, 얼마나 지속되며, 어떤 주기로 반복되고, 어느 시점에서 정지하는가에 따라 서로 다른 특성을 가진다.

운동 궤적에 따른 분류가 직선, 회전, 원호, 나선, 곡선과 같이 공간상의 이동 경로를 중심으로 한다면, 시간 특성에 따른 분류는 다음과 같은 질문을 중심으로 한다.

• 운동이 계속 유지되는가

• 일정 시간마다 반복되는가

• 이동과 정지가 교대로 발생하는가

• 시작과 정지가 갑작스럽거나 완만한가

• 정지 시간이 포함되는가

• 외부 신호가 있을 때만 동작하는가

• 다른 장치와 시간적으로 동기화되는가

• 속도와 가속도가 시간에 따라 어떻게 변하는가

동일한 직선 운동이라도 연속 이송, 간헐 이송, 왕복 이송, 인덱싱 이송은 서로 다른 모터, 감속기, 센서, 제어기 및 안전 설계를 요구한다.

따라서 시간 특성은 모션 시스템의 사이클 타임, 생산 능력, 위치 정밀도, 진동, 충격, 에너지 소비, 부품 수명 및 제어 난이도를 결정하는 핵심적인 설계 기준이다.

2. 운동 궤적과 시간 특성의 차이

운동 궤적은 물체가 공간에서 지나가는 경로를 의미한다.

예를 들면 다음과 같다.

• 직선 경로

• 원형 경로

• 원호 경로

• 나선 경로

• 곡선 경로

• 3차원 공간 경로

시간 특성은 물체가 그 경로를 어떤 시간 법칙에 따라 이동하는지를 의미한다.

예를 들면 다음과 같다.

• 일정 속도로 계속 이동

• 일정 시간마다 이동과 정지를 반복

• 짧은 시간 동안만 작동

• 특정 신호가 입력될 때만 작동

• 가속과 감속을 반복

• 다른 장치의 동작에 맞추어 동기 운전

따라서 하나의 모션은 공간 특성과 시간 특성을 동시에 가진다.

예를 들어 컨베이어는 다음과 같이 표현할 수 있다.

• 공간 특성: 직선 운동

• 시간 특성: 연속 운동

인덱스 테이블은 다음과 같이 표현할 수 있다.

• 공간 특성: 회전 운동

• 시간 특성: 간헐 운동 또는 인덱싱 운동

포장기의 실링 바는 다음과 같이 표현할 수 있다.

• 공간 특성: 직선 왕복 운동

• 시간 특성: 주기 운동과 정지 구간이 결합된 운동

3. 시간 특성에 따른 모션의 기본 분류 체계

시간 특성은 하나의 기준만으로 완전히 분류하기 어렵다. 실제 기계에서는 여러 시간 특성이 동시에 나타나기 때문이다.

따라서 다음과 같은 다섯 가지 기준으로 나누어 분석하는 것이 적합하다.

3.1 동작 지속성에 따른 분류

• 연속 운동

• 간헐 운동

• 단속 운동

• 이벤트 구동 운동

3.2 반복성에 따른 분류

• 주기 운동

• 비주기 운동

• 반복 사이클 운동

• 일회성 운동

3.3 상태 변화에 따른 분류

• 과도 운동

• 정상상태 운동

• 기동 운동

• 정지 운동

3.4 속도 변화에 따른 분류

• 정속 운동

• 가감속 운동

• 삼각형 속도 운동

• 사다리꼴 속도 운동

• S-커브 운동

• 펄스 운동

3.5 동기화 방식에 따른 분류

• 시간 기준 운동

• 위치 기준 운동

• 이벤트 기준 운동

• 동기 운동

• 비동기 운동

• 위상 제어 운동

이러한 분류를 함께 적용하면 기계의 실제 동작 특성을 보다 정확하게 설명할 수 있다.

4. 연속 운동

4.1 정의

연속 운동은 장비가 운전되는 동안 운동이 중단되지 않고 계속 유지되는 형태이다.

일반적으로 회전축, 컨베이어, 펌프, 팬, 믹서, 스크루 피더와 같이 지속적인 동력 전달이 필요한 장치에 사용된다.

4.2 주요 특징

• 운전 중 정지 구간이 없다.

• 속도가 일정하거나 연속적으로 변화한다.

• 기동 이후 정상상태 운전 시간이 길다.

• 반복적인 기동과 정지 횟수가 적다.

• 생산 흐름을 일정하게 유지하기 쉽다.

• 회전체의 관성과 에너지 효율이 중요하다.

4.3 대표적인 적용 사례

• 벨트 컨베이어

• 롤러 컨베이어

• 교반기

• 믹서

• 원심 펌프

• 송풍기

• 스크루 컨베이어

• 연속 절단 장치

• 회전식 충진기

• 육가공용 스크루 압송 장치

4.4 시간 특성

연속 운동은 일반적으로 다음의 세 구간으로 구분할 수 있다.

1. 기동 구간

2. 정상 운전 구간

3. 정지 구간

기동 구간에서는 속도가 0에서 목표 속도까지 증가한다.

정상 운전 구간에서는 목표 속도가 일정하게 유지되거나 공정 조건에 따라 완만하게 조절된다.

정지 구간에서는 속도가 목표 속도에서 0까지 감소한다.

4.5 설계 시 고려사항

• 정상 운전 속도

• 기동 토크

• 정지 토크

• 회전체 관성

• 연속 운전 시간

• 발열

• 베어링 수명

• 윤활 조건

• 에너지 효율

• 정전 시 정지 방식

• 비상 정지 거리

연속 운전 장비는 반복 기동 장비보다 기동 횟수는 적지만, 장시간 운전에 따른 발열과 마모가 중요하다.

5. 간헐 운동

5.1 정의

간헐 운동은 일정 시간 동안 이동한 후 정지하고, 다시 이동하는 동작을 반복하는 운동이다.

이동 구간과 정지 구간이 시간적으로 명확하게 구분된다.

간헐 운동은 제품을 한 공정 위치에서 다음 공정 위치로 이동시키고, 정지 상태에서 가공, 조립, 검사, 충진 또는 포장을 수행하는 장비에 많이 사용된다.

5.2 주요 특징

• 이동과 정지가 반복된다.

• 정지 구간에서 작업이 수행된다.

• 정지 위치의 정확도가 중요하다.

• 이동 시간과 정지 시간의 비율이 생산성을 결정한다.

• 반복적인 가속과 감속이 발생한다.

• 구동부에 반복 관성 하중이 작용한다.

5.3 대표적인 적용 사례

• 인덱스 테이블

• 포장기의 제품 이송 장치

• 자동 조립기

• 충진기

• 라벨링 장치

• 트레이 이송 장치

• 검사 장비

• 공압 푸셔

• 절단 전 위치 결정 장치

5.4 사이클 시간

간헐 운동의 전체 사이클 시간은 다음과 같이 표현할 수 있다.

T_cycle = t_move + t_dwell

여기서 각 항목의 의미는 다음과 같다.

• T_cycle: 전체 사이클 시간

• t_move: 이동 시간

• t_dwell: 정지 시간

가속과 감속을 구분하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

T_cycle = t_acc + t_const + t_dec + t_dwell

• t_acc: 가속 시간

• t_const: 정속 이동 시간

• t_dec: 감속 시간

• t_dwell: 정지 시간

5.5 설계 시 고려사항

• 이동 거리

• 이동 시간

• 정지 시간

• 정지 위치 정밀도

• 반복 정밀도

• 최대 허용 관성

• 가감속 충격

• 제동 성능

• 정지 상태의 강성

• 분당 사이클 수

간헐 운동에서는 최고 속도를 지나치게 높이는 것보다 가속과 감속을 안정적으로 제어하는 것이 더 중요할 수 있다.

6. 단속 운동

6.1 정의

단속 운동은 구동원이 짧은 시간 동안 반복적으로 켜지고 꺼지는 운동이다.

간헐 운동과 유사하지만, 간헐 운동이 이동과 정지의 기능적 사이클을 의미한다면 단속 운동은 주로 구동원의 ON과 OFF 상태에 초점을 둔다.

6.2 주요 특징

• 짧은 동작 시간이 반복된다.

• 기동과 정지가 빈번하다.

• 모터 또는 액추에이터의 열적 부하가 중요하다.

• 순간 최대 토크가 크게 요구될 수 있다.

• 평균 부하는 낮더라도 순간 부하는 높을 수 있다.

6.3 대표적인 적용 사례

• 전자 솔레노이드

• 클러치와 브레이크

• 짧은 스트로크의 공압 실린더

• 점용접 장치

• 펀칭 장치

• 순간 압착 장치

• 도징 밸브

• 제품 배출 플랩

6.4 듀티비

단속 운동에서는 구동 시간이 전체 주기에서 차지하는 비율이 중요하다.

D = t_on / T × 100%

각 항목의 의미는 다음과 같다.

• D: 듀티비

• t_on: 구동원이 작동하는 시간

• T: 전체 반복 주기

예를 들어 전체 주기가 10초이고, 실제 구동 시간이 3초라면 다음과 같다.

D = 3 / 10 × 100% = 30%

6.5 설계 시 고려사항

• 듀티비

• 시간당 기동 횟수

• 순간 전류

• 순간 토크

• 권선 온도

• 냉각 시간

• 클러치와 브레이크 마모

• 솔레노이드 발열

• 반복 수명

7. 주기 운동

7.1 정의

주기 운동은 일정한 시간 간격마다 동일하거나 유사한 운동이 반복되는 형태이다.

한 번의 운동이 완료된 후 다시 같은 상태로 돌아오며, 이 반복 단위를 주기라고 한다.

7.2 주기와 주파수

주기와 주파수의 관계는 다음과 같다.

f = 1 / T

각 항목의 의미는 다음과 같다.

• f: 주파수

• T: 한 번의 운동이 반복되는 데 필요한 시간

주기가 0.5초인 경우 주파수는 다음과 같다.

f = 1 / 0.5 = 2 Hz

즉, 1초에 두 번 운동이 반복된다.

7.3 주요 특징

• 반복 시간이 일정하다.

• 동작 예측이 쉽다.

• 생산량 계산이 용이하다.

• 반복 하중에 의한 피로가 중요하다.

• 공진 가능성을 검토해야 한다.

• 여러 장치의 동기화가 용이하다.

7.4 대표적인 적용 사례

• 크랭크 프레스

• 피스톤 펌프

• 왕복 압축기

• 캠 구동 장치

• 포장기 실링 장치

• 슬라이싱 장치

• 왕복 절단 장치

• 진동 피더

• 로터리 충진기

7.5 설계 시 고려사항

• 운동 주기

• 반복 주파수

• 최대 가속도

• 반복 하중

• 피로 수명

• 공진 영역

• 위상 차이

• 사이클 간 편차

• 반복 위치 정밀도

8. 반복 사이클 운동

8.1 정의

반복 사이클 운동은 여러 개의 서로 다른 동작이 하나의 순서로 구성되고, 전체 순서가 반복되는 운동이다.

단순 주기 운동이 하나의 운동 패턴을 반복하는 것이라면, 반복 사이클 운동은 이동, 정지, 클램핑, 가공, 해제, 복귀와 같은 여러 단계가 순차적으로 반복된다.

8.2 대표적인 사이클

자동 조립 장치의 한 사이클은 다음과 같이 구성될 수 있다.

1. 제품 감지

2. 이송 장치 전진

3. 위치 정지

4. 클램프 작동

5. 조립 작업

6. 클램프 해제

7. 이송 장치 복귀

8.3 주요 특징

• 여러 운동이 시간 순서에 따라 연결된다.

• 각 단계의 완료 조건이 필요하다.

• 일부 동작은 동시에 수행될 수 있다.

• 병목 단계가 전체 사이클 시간을 결정한다.

• 센서와 인터록이 중요하다.

• 시퀀스 제어가 필요하다.

8.4 전체 사이클 시간

각 동작이 순차적으로 수행되는 경우 전체 사이클 시간은 다음과 같다.

T_cycle = t1 + t2 + t3 +... + tn

일부 동작이 동시에 수행되는 경우에는 가장 긴 병렬 동작 시간이 해당 구간의 시간을 결정한다.

8.5 대표적인 적용 사례

• 자동 조립기

• 포장기

• 충진 및 캡핑 장치

• 식품 절단 및 포장 라인

• 검사 및 분류 장치

• 로봇 픽앤플레이스

• 프레스 자동화 장치

• 트레이 로딩 장치

9. 비주기 운동

9.1 정의

비주기 운동은 일정한 시간 간격이나 동일한 운동 패턴을 반복하지 않는 운동이다.

운동 시간, 이동 거리, 속도, 방향 또는 정지 위치가 작업 조건에 따라 달라질 수 있다.

9.2 주요 특징

• 반복 주기가 일정하지 않다.

• 외부 조건에 따라 동작이 달라진다.

• 미리 정해진 고정 캠보다 프로그램 제어가 적합하다.

• 센서 정보와 실시간 판단이 중요하다.

• 궤적 계획이 동적으로 변경될 수 있다.

9.3 대표적인 적용 사례

• 산업용 로봇

• 비전 기반 분류 장치

• 불량품 배출 장치

• 자동 창고 시스템

• 가변 길이 절단기

• 주문형 생산 장치

• 작업자 요청에 따른 보조 장치

• 장애물 회피 이동 장치

9.4 설계 시 고려사항

• 최대 이동 범위

• 최악 조건의 사이클 시간

• 가변 하중

• 센서 응답 시간

• 제어기 연산 성능

• 위치 재계산

• 충돌 방지

• 예외 상황 처리

• 안전 정지 조건

10. 이벤트 구동 운동

10.1 정의

이벤트 구동 운동은 일정한 시간표가 아니라 특정 조건이나 신호가 발생했을 때 시작되는 운동이다.

이벤트는 센서 감지, 작업자 명령, 제품 도착, 압력 도달, 온도 도달 또는 이전 공정 완료 신호가 될 수 있다.

10.2 주요 특징

• 동작 시작 시간이 일정하지 않을 수 있다.

• 센서 입력과 직접적으로 연동된다.

• 대기 시간이 발생할 수 있다.

• 조건이 만족되지 않으면 동작하지 않는다.

• 인터록과 안전 조건이 중요하다.

10.3 대표적인 이벤트

• 제품 감지 센서 ON

• 도어 닫힘 확인

• 클램프 압력 도달

• 모터 원점 복귀 완료

• 이전 공정 완료 신호

• 작업자 시작 버튼 입력

• 비전 검사 완료

• 안전 영역 이상 없음

10.4 대표적인 적용 사례

• 제품 감지 후 작동하는 푸셔

• 불량품 배출 실린더

• 자동 도어

• 센서 기반 정렬 장치

• 로봇 픽업 장치

• 안전 인터록 장치

• 포장재 감지 후 작동하는 실링 장치

10.5 설계 시 고려사항

• 센서 응답 시간

• 입력 신호의 노이즈

• 디바운싱

• 지연 시간

• 오동작 방지

• 신호 손실 처리

• 중복 신호 처리

• 타임아웃

• 비상 정지 우선순위

11. 일회성 운동

11.1 정의

일회성 운동은 장비의 조정, 설치, 교체 또는 비상 동작과 같이 정상 운전 중 반복되지 않거나 매우 낮은 빈도로 수행되는 운동이다.

11.2 대표적인 적용 사례

• 장비 초기 원점 복귀

• 금형 교체 위치 이동

• 청소 위치로 이동

• 유지보수 위치로 이동

• 안전 커버 개방

• 비상 복귀

• 장비 초기 셋업

• 수동 조정

11.3 주요 특징

• 반복 빈도가 낮다.

• 고속보다 안전성과 조작성에 중점을 둔다.

• 수동 조작이 포함될 수 있다.

• 정상 자동 운전과 별도의 조건을 가진다.

• 유지보수 접근성이 중요하다.

11.4 설계 시 고려사항

• 저속 운전 모드

• 조그 운전

• 수동 운전 권한

• 안전 속도 제한

• 작업자 가시성

• 데드맨 스위치

• 잠금 및 표시 절차

• 자동 운전과의 인터록

12. 과도 운동

12.1 정의

과도 운동은 시스템이 하나의 상태에서 다른 상태로 변화하는 동안 나타나는 일시적인 운동이다.

대표적으로 정지 상태에서 운전 속도까지 가속하는 구간과 운전 속도에서 정지 상태까지 감속하는 구간이 과도 운동에 해당한다.

12.2 주요 특징

• 속도와 가속도가 시간에 따라 변한다.

• 관성력이 크게 발생할 수 있다.

• 진동과 충격이 발생하기 쉽다.

• 정상상태보다 높은 토크가 필요할 수 있다.

• 제어기의 응답 특성이 중요하다.

12.3 대표적인 과도 상태

• 모터 기동

• 급가속

• 급감속

• 방향 전환

• 부하 투입

• 클러치 연결

• 브레이크 작동

• 비상 정지

12.4 설계 시 고려사항

• 기동 토크

• 가속 시간

• 감속 시간

• 제동 거리

• 최대 전류

• 구조물의 순간 변형

• 체결부 충격

• 제품 흔들림

• 제어 오버슈트

• 정착 시간

과도 운동은 지속 시간은 짧지만, 기계에 가장 큰 하중이 작용하는 구간이 될 수 있다.

13. 정상상태 운동

13.1 정의

정상상태 운동은 기동 과정이 끝난 후 속도, 하중 및 출력이 일정하거나 반복적으로 안정된 상태를 유지하는 운동이다.

13.2 주요 특징

• 속도 변화가 작다.

• 하중이 비교적 안정적이다.

• 장시간 운전 특성을 평가하기 쉽다.

• 온도 상승과 마찰 손실이 중요하다.

• 평균 전력과 효율을 계산하기 쉽다.

13.3 대표적인 적용 사례

• 일정 속도의 컨베이어

• 정상 운전 중인 펌프

• 일정 회전수의 믹서

• 연속 회전 절단기

• 정상 운전 중인 스크루 피더

13.4 설계 시 고려사항

• 정격 속도

• 정격 토크

• 연속 허용 출력

• 열평형

• 진동 수준

• 소음

• 윤활 상태

• 장시간 운전 수명

14. 정지 구간을 포함하는 운동

14.1 정의

정지 구간을 포함하는 운동은 물체가 이동을 완료한 후 일정 시간 동안 움직이지 않고 위치를 유지하는 형태이다.

이 정지 시간을 드웰 타임(Dwell Time)이라고 한다.

14.2 정지 구간의 목적

• 가공 시간 확보

• 충진 시간 확보

• 실링 시간 확보

• 냉각 또는 가열 시간 확보

• 검사 시간 확보

• 제품 안정화

• 클램핑

• 작업자의 안전 확인

14.3 주요 특징

• 이동 정밀도뿐 아니라 정지 안정성이 중요하다.

• 정지 중 외력에 의해 위치가 변하지 않아야 한다.

• 브레이크 또는 기계적 잠금이 필요할 수 있다.

• 정지 시간이 전체 생산량에 큰 영향을 준다.

14.4 대표적인 적용 사례

• 인덱스 테이블

• 실링 장치

• 프레스

• 라벨 부착 장치

• 충진기

• 검사 장비

• 로봇 조립 장치

14.5 설계 시 고려사항

• 드웰 타임

• 정지 위치 오차

• 정지 중 진동

• 위치 유지 토크

• 브레이크 사용 여부

• 기계적 잠금 여부

• 열 변형

• 정지 후 정착 시간

15. 정속 운동

15.1 정의

정속 운동은 속도가 시간에 따라 일정하게 유지되는 운동이다.

이상적인 정속 운동에서는 가속도가 0이다.

a = 0

15.2 주요 특징

• 제품 흐름이 일정하다.

• 공정 시간을 예측하기 쉽다.

• 구동 토크 변화가 작다.

• 진동이 비교적 적다.

• 연속 공정에 적합하다.

15.3 대표적인 적용 사례

• 컨베이어

• 롤러 이송

• 연속 절단

• 일정 속도 교반

• 펌프

• 스크루 이송

15.4 설계 시 고려사항

• 부하 변화에 따른 속도 편차

• 속도 제어 정밀도

• 감속기 효율

• 슬립

• 장시간 속도 안정성

• 피드백 센서

16. 사다리꼴 속도 운동

16.1 정의

사다리꼴 속도 운동은 가속, 정속, 감속의 세 구간으로 구성되는 운동이다.

속도 그래프가 사다리꼴 형태를 이루기 때문에 사다리꼴 속도 프로파일이라고 한다.

16.2 운동 구간

1. 일정한 가속도로 속도 증가

2. 목표 속도 유지

3. 일정한 감속도로 속도 감소

16.3 주요 특징

• 구현이 비교적 간단하다.

• 이동 시간을 계산하기 쉽다.

• 서보 및 스테핑모터 제어에 널리 사용된다.

• 가속도가 갑자기 변할 수 있다.

• 고속 장비에서는 진동과 충격이 발생할 수 있다.

16.4 대표적인 적용 사례

• XY 테이블

• 볼스크루 이송축

• 벨트 이송축

• 픽앤플레이스 장치

• 자동 위치 결정 장치

• CNC 이송축

16.5 설계 시 고려사항

• 최대 속도

• 가속도

• 감속도

• 이동 거리

• 모터 토크

• 부하 관성

• 구조물 강성

• 정지 오차

17. 삼각형 속도 운동

17.1 정의

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

속도 그래프가 삼각형 형태를 가진다.

17.2 주요 특징

• 짧은 이동 거리에 적합하다.

• 최대 속도 도달 시간이 짧다.

• 정속 구간이 없다.

• 가속 성능이 전체 이동 시간을 결정한다.

• 반복적인 짧은 스트로크에 많이 사용된다.

17.3 대표적인 적용 사례

• 짧은 거리의 픽앤플레이스

• 소형 푸셔

• 짧은 스트로크 실링 장치

• 소형 로봇 이송

• 고속 분류 장치

18. S-커브 운동

18.1 정의

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

저크는 다음과 같이 표현한다.

j = da / dt

각 항목의 의미는 다음과 같다.

• j: 저크

• a: 가속도

• t: 시간

18.2 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.

18.3 대표적인 적용 사례

• 액체가 담긴 용기의 이송

• 식품 트레이 이송

• 반도체 장비

• 정밀 조립 장비

• 고속 로봇

• 유리 및 취성 재료 이송

• 대형 이동축

18.4 설계 시 고려사항

• 허용 저크

• 최대 가속도

• 이동 시간

• 제품 흔들림

• 구조물 고유진동수

• 모터 토크

• 제어기 성능

19. 펄스 및 충격 운동

19.1 정의

펄스 운동은 매우 짧은 시간 동안 큰 힘이나 속도 변화가 발생하는 운동이다.

충격 운동은 짧은 시간에 큰 운동량 변화가 발생하며, 구조물에 높은 순간 하중을 가한다.

19.2 대표적인 적용 사례

• 프레스

• 펀칭 장치

• 해머

• 타격 장치

• 순간 절단 장치

• 제품 배출 노커

• 진동 발생 장치

• 충격 시험 장비

19.3 주요 특징

• 작동 시간은 짧다.

• 순간 최대 하중이 크다.

• 평균 동력보다 최대 동력이 중요하다.

• 구조물의 충격 흡수 능력이 중요하다.

• 피로와 소음이 발생하기 쉽다.

19.4 설계 시 고려사항

• 충격 에너지

• 최대 접촉력

• 충격 지속 시간

• 완충 장치

• 프레임 강성

• 체결부 풀림

• 피로 수명

• 소음과 진동

• 작업자 안전

20. 동기 운동

20.1 정의

동기 운동은 둘 이상의 축 또는 장치가 동일한 시간 기준이나 위치 기준에 따라 일정한 관계를 유지하며 동작하는 운동이다.

20.2 대표적인 동기화 방식

• 속도 동기

• 위치 동기

• 위상 동기

• 전자 기어

• 전자 캠

• 마스터·슬레이브 제어

• 기계식 기어 동기

• 타이밍 벨트 동기

20.3 주요 특징

• 축 간 속도 비율이 일정하다.

• 위치 관계를 유지할 수 있다.

• 제품 흐름과 가공 장치를 일치시킬 수 있다.

• 위상 오차가 품질에 직접 영향을 준다.

• 엔코더 및 고속 제어가 필요할 수 있다.

20.4 대표적인 적용 사례

• 포장 필름과 제품 이송 동기화

• 로터리 커터

• 플라잉 커터

• 인쇄 롤러

• 다축 로봇

• 충진기

• 컨베이어 추종 장치

• 전자 캠 장치

20.5 설계 시 고려사항

• 마스터축 선정

• 속도비

• 위치비

• 위상 차이

• 엔코더 분해능

• 제어 주기

• 통신 지연

• 동기 오차

• 비상 정지 시 축 관계

21. 비동기 운동

21.1 정의

비동기 운동은 여러 장치가 서로 직접적인 시간 또는 위치 관계를 유지하지 않고 독립적으로 작동하는 운동이다.

각 장치는 자체 조건과 제어 기준에 따라 동작한다.

21.2 대표적인 적용 사례

• 독립 구동 컨베이어

• 개별 펌프

• 독립 환기 팬

• 여러 개의 독립 작업 스테이션

• 버퍼를 가진 생산 라인

21.3 주요 특징

• 구조와 제어가 비교적 단순하다.

• 개별 장치의 독립 운전이 가능하다.

• 장치 사이에 버퍼가 필요할 수 있다.

• 생산 흐름의 불균형이 발생할 수 있다.

• 제품 정체 또는 공정 대기가 발생할 수 있다.

22. 위상 제어 운동

22.1 정의

위상 제어 운동은 동일한 주기로 반복되는 둘 이상의 운동 사이에서 시간적 위치 차이를 일정하게 유지하는 운동이다.

위상 차이는 한 운동이 다른 운동보다 얼마나 앞서거나 뒤처지는지를 나타낸다.

22.2 대표적인 적용 사례

• 다중 피스톤 펌프

• 다중 실린더 장치

• 포장기의 절단과 실링

• 다축 캠 장치

• 여러 개의 진동 발생기

• 다중 그리퍼 로터리 장치

22.3 주요 특징

• 동작 충돌을 방지할 수 있다.

• 부하를 시간적으로 분산할 수 있다.

• 진동을 줄이거나 증폭할 수 있다.

• 생산 공정의 순서를 정밀하게 조절할 수 있다.

22.4 설계 시 고려사항

• 위상각

• 주기

• 위상 오차

• 엔코더 원점

• 기계적 백래시

• 제어 지연

• 기동 시 위상 정렬

• 정전 후 위상 복구

23. 시간 특성별 대표 적용 비교

24. 시간 특성에 따른 모션 선정 기준

24.1 생산 방식

• 연속 생산인가

• 배치 생산인가

• 개별 제품 생산인가

• 주문형 생산인가

• 정지 상태에서 작업해야 하는가

24.2 사이클 조건

• 목표 사이클 타임

• 분당 생산량

• 이동 시간

• 정지 시간

• 공정 시간

• 대기 시간

24.3 하중 조건

• 연속 하중

• 반복 하중

• 충격 하중

• 가변 하중

• 순간 최대 하중

• 회전 관성

24.4 정밀도 조건

• 위치 정밀도

• 반복 정밀도

• 속도 정밀도

• 위상 정밀도

• 정지 후 정착 시간

• 동기 오차

24.5 제품 특성

• 제품의 질량

• 제품의 무게중심

• 액체 포함 여부

• 변형 가능성

• 미끄럼 가능성

• 충격 민감도

24.6 기계 구조 조건

• 프레임 강성

• 가이드 구조

• 백래시

• 감속기 유격

• 진동 특성

• 제동 장치

• 위치 유지 장치

24.7 제어 조건

• PLC 시퀀스 제어

• 모션 컨트롤러

• 서보 제어

• 엔코더 피드백

• 센서 입력

• 네트워크 동기화

• 전자 캠 기능

25. 시간 특성의 설계 검증

25.1 사이클 타임 검증

• 목표 생산량을 만족하는가

• 이동 시간이 과도하지 않은가

• 정지 시간이 충분한가

• 병목 공정이 존재하는가

• 병렬 동작이 가능한가

25.2 구동 성능 검증

• 최대 속도

• 최대 가속도

• 최대 토크

• 기동 전류

• 제동 토크

• 반복 운전 허용 횟수

25.3 진동 및 충격 검증

• 방향 전환 충격

• 가속도 변화

• 저크

• 구조물 공진

• 제품 흔들림

• 체결부 풀림

25.4 열적 검증

• 모터 온도

• 감속기 온도

• 브레이크 발열

• 클러치 발열

• 솔레노이드 듀티비

• 냉각 시간

25.5 제어 검증

• 센서 응답 시간

• 제어 주기

• 통신 지연

• 타이머 오차

• 동기 오차

• 시퀀스 충돌

• 비상 정지 응답

25.6 수명 검증

• 반복 피로

• 베어링 수명

• 가이드 수명

• 벨트 피로

• 클러치 및 브레이크 수명

• 실린더 씰 수명

• 케이블 반복 굽힘 수명

26. 주요 시간 관련 수식

사이클 시간

T_cycle = t_acc + t_const + t_dec + t_dwell

전체 사이클 시간은 가속 시간, 정속 시간, 감속 시간 및 정지 시간의 합이다.

주파수

f = 1 / T

주파수는 단위 시간당 반복 횟수를 의미한다.

듀티비

D = t_on / T × 100%

듀티비는 전체 주기 중 실제 구동 시간이 차지하는 비율이다.

평균 속도

v_avg = 이동 거리 / 전체 이동 시간

평균 속도는 전체 이동 거리를 이동에 사용된 시간으로 나눈 값이다.

가속도

a = dv / dt

가속도는 시간에 따른 속도의 변화율이다.

저크

j = da / dt

저크는 시간에 따른 가속도의 변화율이다.

분당 생산량

생산량 = 60 / T_cycle

단, T_cycle의 단위가 초일 경우 분당 생산량을 계산할 수 있다.

예를 들어 사이클 시간이 3초라면 다음과 같다.

생산량 = 60 / 3 = 분당 20개

27. 결론

시간 특성에 따른 모션 분류는 기계가 어떤 경로로 움직이는가보다, 그 운동이 언제 시작되고, 얼마나 지속되며, 어떤 주기로 반복되고, 어느 시간 동안 정지하는가를 분석하는 것이다.

연속 운동은 안정적인 생산 흐름과 장시간 운전에 적합하고, 간헐 운동은 이동과 정지를 반복하며 공정 위치를 제공한다. 주기 운동은 일정한 반복 생산에 적합하며, 이벤트 구동 운동은 센서와 외부 조건에 따라 유연하게 작동한다.

과도 운동은 기동, 감속 및 방향 전환 과정에서 발생하며, 짧은 시간 동안 큰 관성력과 충격을 유발할 수 있다. 정상상태 운동은 장시간 운전에서의 속도 안정성, 발열 및 수명을 결정한다.

또한 사다리꼴, 삼각형 및 S-커브 속도 프로파일은 동일한 이동 거리에서도 서로 다른 충격, 진동 및 사이클 시간을 만든다. 여러 축이 함께 작동하는 장비에서는 동기, 위상 및 제어 지연이 제품 품질과 장비 성능을 직접적으로 좌우한다.

따라서 시간 특성에 따른 모션 설계에서는 다음 요소를 함께 검토해야 한다.

• 운동 지속 시간

• 사이클 타임

• 이동 시간

• 정지 시간

• 반복 주파수

• 듀티비

• 속도 프로파일

• 가속도와 저크

• 동기 및 위상

• 센서 응답 시간

• 반복 하중

• 모터와 구동부의 열적 특성

• 비상 정지 시간

좋은 모션 설계는 단순히 빠르게 움직이는 시스템을 만드는 것이 아니다. 필요한 시점에 운동을 시작하고, 요구된 시간 내에 목표 위치에 도달하며, 공정에 필요한 시간 동안 안정적으로 정지하고, 충격과 진동 없이 다음 사이클을 반복할 수 있도록 만드는 것이다.

시간 특성은 생산 속도만을 결정하는 항목이 아니라, 기계의 정밀도, 안정성, 안전성, 에너지 효율 및 수명을 함께 결정하는 핵심적인 설계 기준이다.