로터리 엔코더 소개 (광학 키트 엔코더 및 모둘형 자기 엔코더)

Lika

바뀌고 있는 로터리 엔코더 유형

현대 자동화와 최첨단 산업의 최신 동향은 측정 시스템을 새로운 범주로 진화시키고 있다. 엔코더 제조업체는 비표준 애플리케이션과 특정 분야에 대한 개별 해결책을 개발해야 할 때가 많다.

여기서 최근 자동화 산업과 로봇, 모터 및 의료 외과 장비와 같은 확장되는 분야에 널리 보급되고 있는 로터리 엔코더에 대해 설명한다. 또한 각각의 장점과 기존 샤프트 엔코더와의 차이를 보여준다. 마지막으로, 가장 적합한 애플리케이션 분야를 제안할 것이다.
 

‘엔코더’란 무엇인가?

여기서 ‘엔코더’는 동작에 응답해서 신호를 생성하는 측정 시스템이다. 특히 로터리 엔코더는 전자 기계식 장치(변환기)이며 회전축의 모션을 변환할 수 있도록 설계됐다. 리니어 엔코더는 이름에서 알 수 있듯이 직선 움직임에 응답하는 신호를 생성한다.

• 엔코더 유형

로터리 엔코더는 일반적으로 출력에 따라 분류된다.
 

• 인크리멘탈 엔코더 :

모션에 대한 응답으로 구형파 또는 사인파 신호를 생성한다. 이동·위치·변위 정보를 제공할 수 있다. 위치 정보는 매우 중요하다. 상대적이고 불분명하며, 이는 축이 움직이고 있는가 혹은 축의 이동 방향을 알 수 있는가를 뜻한다. 절대적인 정보에 관한 내용은 얻을 수 없다.
 

• 앱솔루트 엔코더 :

절대 위치 정보를 출력하도록 설계됐다. 디스크·자기 링에 엔코딩된 고유한 코드 패턴을 사용한다. 이전 위치(실제 위치)에 대한 지식 없이도 독특하고 모호하지 않은 위치를 제공할 수 있다.
 

• 로터리 엔코더 :

사용하는 센싱 기술에 따라 광학 또는 자기가 될 수 있다. 광학 엔코더의 작동 원리는 회전 샤프트에 장착된 코드 디스크(유리, 금속, 합성 재료)에 있으며, 둘레에 투명·불투명 슬롯이 포함된 방사형 격자가 있다. 디스크가 회전함에 따라, LED에 의해 생성된 광선은 슬롯을 통해 빛난다. 또한 엔코더 출력을 생성하는 광학 센서에 의해 감지된다. 스캐닝 방법에 따라 광학 엔코더는 투과형이거나 반사형일 수 있다.
 

• 자기 엔코더 :

MR 감지 요소가 있는 자기 코드링 또는 IC 센서를 사용할 수 있다. 첫 번째 방법에서 링은 일련의 북극과 남극으로 코딩되고 엔코더나 차축에 장착된다. MR 센서는 자기장의 변화를 감지해서 사인파 신호나 절대 직렬 신호로 변환한다. IC 센서가 사용될 때 샤프트와 일체형인 2극 자석이 보간 회로의 중심을 회전하므로 출력 시 완전한 정보를 제공한다.

 

광학 키트 엔코더 및 자기식 모듈러 엔코더

광학 키트 엔코더와 자기식 모듈러 엔코더는 특정 유형의 로터리 엔코더이다. 회전식 모션에 반응하는 기존 로터리 엔코더와 마찬가지로 증분(incremental)이거나 절대적(absolute)일 수 있으며, 광 또는 자기 센싱 기술을 사용할 수 있다. 키트와 모듈형 엔코더는 복합 설계가 가능하다는 것이 기본 차이점이다.

코딩된 디스크·자기 링과 스캐닝 유닛은 두 개의 개별 요소로 조립돼서 애플리케이션에 직접 통합돼야 한다[코딩된 디스크·자기 링(예 : 모터 끝부분의 로터 마운트), 스캐닝 유닛(예 : 고정자가 메인 프레임에 볼트로 고정됨)]. 이는 적절한 작동 구성을 얻기 위해 결합된 장비에 의존함을 의미한다.

어떤 경우에는 샤프트과 베어링이 없는 프레임리스(frameless)이다. 로터와 고정자는 움직이는 부분이 없으므로 마모와 접촉 없이 함께 작동한다. 접촉이 없으면 진동과 충격 또는 기계적 응력으로 인한 고장 위험이 제한 된다. 마모가 없으므로 기계 작동이 멈출 때 시간과 유지보수가 필요 없다.

전반적인 공간과 무게

전통적인 로터리 엔코더의 기계부품 대부분을 제거하면 전체 설치 공간과 장치 비용을 줄일 수 있다. 따라서 키트 엔코더와 모듈형 엔코더는 크기가 작고 최소 두께와 최소 무게가 있으며, 직접 구동 토크 모터와 같은 좁은 공간에도 쉽게 설치할 수 있다.

이러한 이유로 로봇과 모터 제조업체의 첫 번째 선택이 됐다. 기계식 변속기 장치와의 직접적인 통합이 필요한 분야에도 응용된다. 소형화된 회로 사용과 기계적 단순성으로 인해 광 모듈 엔코더는 광학 키트 엔코더보다 공간 요구 사항이 적다.

기존의 로터리 엔코더보다 장점이 많지만 구체적인 고려 사항이 필요하다. 이는 광학 키트 엔코더 또는 자기 모듈 엔코더인지 여부에 따라 다르다. 아래 그림으로 표시된  수평 막대그래프는 광학 키트 엔코더(파란색 막대) 와 자기 모듈 엔코더(빨간색 막대)가 제공하는 주요 이점을 비교한 것이다. 막댓값(0~5)이 높을수록 성능(최소 크기, 최소 무게, 최대 사용자 정의, 최대 해상도 등)이 우수하다.

사용자 요구

기계와 전기 기능(지원 PCB 형상과 크기, 장착 구성, 해상도, 인터페이스와 전기 연결 유형, 진단 정보 등)을 통해 개별 요구 사항과 다양한 시장 요구 사항을 충족할 수 있다.

자기 모듈 엔코더는 훨씬 더 유연하고 자유로운 설계가 가능하다. 시장은 다양한 크기의 엔코더 구성을 제공한다. 작은 직경부터 매우 큰 직경의 링, 대형 샤프트 기계용 세그먼트 링, 센서의 축 방향 장착을 위한 평평한 링 (방사형 장착 대신), 아크, C면 모터 엔코더 등의 내부에 설치하도록 특별히 설계된 엔코더까지, 매우 큰 샤프트에 설치하기에 가장 적합한 해결책이다.

해상도와 정확도

해상도는 측정할 수 있는 측정의 가장 작은 이동(거리)이다. 그렇지 않으면, 연속적인 두 개의 이산 점(discrete Points) 사이의 간격 즉, 정보 순서의 간격이다. 인크리멘탈 엔코더에서 분해능은 1회전 당 펄스 수(ppr, 예 : 2,048ppr)로 정의된다.

절대 단일 회전 엔코더(absolute singleturn encoders)에선 회전 당 카운트(cpr, 예 : 4,096CPR)이다. 멀티 턴 엔코더(Multiturn encoders, 다중 360° 턴을 추적하는 것)는 회전수(cpr)와 비트 수로 지정되며, 대개 비트 단위로 정의된다(예 : 4,096cpr x 16,384 회전은 26비트). 정확도는 실제 위치와 이론 위치 사이의 편차이며 위치 판독 값의 최대 오차를 나타낸다. 일반적으로 광학 엔코더는 자기 엔코더보다 훨씬 높은 분해능과 정확도를 제공한다. 때문에 로봇 조인트나 기계식 변속장치와 같이 정확한 위치·속도 피드백을 위한 높은 수준의 요구 사항이 필요한, 역동적이고 까다로운 모션 제어 애플리케이션에 이상적이다.

특히 광 키트 엔코더와 관련해 정확도에 대한 중요한 것은, 키트·모듈러 엔코더의 부적절한 장착뿐만 아니라 기계 어셈블리의 강성과 안정성이 정확성에 영향을 줄 수 있다는 점이다.

전통적인 광학 엔코더는 공장에서 올바르게 조립되고 교정돼 디스크와 센서 사이의 오정렬을 피할 수 있다.

키트 및 모듈 형 엔코더는 ‘현장에서’ 조립해야 하며 축 방향과 반경 방향 런아웃은 시스템 정확도를 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 이유로 엔코더는 적절한 설치를 쉽게 하고 장착 불편을 없애기 위해 설계됐다. 상황에 따라 설치 도구와 교정 소프트웨어가 필요할 수 있다.

보호성

모듈러 자기 엔코더는 오염물과 먼지, 물, 온도 변화를 광학 엔코더보다 훨씬 잘 견딘다.

그뿐만 아니라 외부 간섭에 둔감하다. 수분, 습기, 기름, 그리스, 화학 약품과 같은 대부분의 오염 물질을 차단하고 더 높은 충격과 진동 저항값을 보장할 수 있다. 또한 캡슐화, 열대화, 등각 코팅, 광택 처리와 같은 PCB 보호 방법을 쉽게 채택할 수 있다. 따라서 가장 높은 보호율(IP67~IP69K)을 달성할 수 있으며 가혹한 산업 환경에서 안정적으로 작동하는 데 적합하다.

광학 키트 엔코더는 프레임이 없으며 인클로저 없이 공급된다. 이것은 호스트에 직접 통합하기 위해 설계됐다. 반드시 적절하게 보호돼야 하며, 도달하는 IP 율은 애플리케이션 하우징의 IP 율이다. 애플리케이션 설계자는 엔코더 보호를 위한 조치를 취하고 적절한 설치를 통해 안전하고 신뢰할 수 있는 작동조건을 보장해야 한다.

 

마운팅 공차

적절한 작동, 성능 사양(정확도), 엔코더의 긴 수명을 달성하려면 키트와 모듈형 엔코더를 현장에서 조립해야 하며 장착 요구 사항을 완전히 충족해야 한다. 키트와 모듈형 엔코더에는 일체형 베어링이 없으므로 호스트 애플리케이션의 정확도에만 의존해야 한다.

엔지니어는 시스템을 설계할 때 엔코더의 요구 사항을 고려해야 한다. 그리고 샤프트에서 축 방향 엔드 플레이(axial end play)나 반경 방향 런아웃(radial run out)과 같은 중요한 요소를 제한해야 한다. 적용 축에 상당한 축 방향이나 반경 방향 런아웃이 있을 땐 기존 축 엔코더를 설치하는 것이 좋다. 전통적 엔코더에는, 플렉시블 커플링(flexible couplings)과 고정 플레이트(fixing plates)와 같은 액세서리를 추가로 장착해 이런 요소를 최소화할 수 있다.

자기 모듈 엔코더는 간단한 장착 공정과 조정이 특징이다. 이는 광 키트 엔코더가 요구하는 것보다 더 관대한 마운팅 공차를 허용한다. 전자 및 기계적 단순성 때문에 장착 공정이 훨씬 수월해졌다.

전형적으로 자기 링과 센서 사이의 갭과 횡 편차는 밀리미터 범위이다. 또한 롤과 틸트와 요는 몇 도 이내로 측정된다. 종종 진단 LED는 사용자가 허용 한계를 찾고 측정 시스템을 올바르게 설치하는 데 도움이 된다.

적절한 작동과 사양 달성을 보장하기 위해 지정된 설치 공차에 따라 광학 키트 엔코더를 설치하는 것이 더 중요하다.

따라서 특정 모델에는 설치 도구와 교정 소프트웨어가 제공되므로, 설치자가 설치 공차와 올바른 정렬을 쉽게 충족할 수 있다.

허용 속도

베어링이 장착된 기존 엔코더의 작동속도는 종종 6,000-12,000rpm으로 제한된다. 더 높은 속도가 필요한 경우, 키트와 모듈형 엔코더가 더 나은 선택일 수 있다.

일반적으로 광 엔코더는 고속 값에 도달할 수 있으므로 고해상도, 고정밀, 고속이 가장 중요한 까다로운 적용 분야에 더 적합하다.

베어링이 있는 샤프트 엔코더는 베어링이 없는 엔코더보다 충격, 진동, 기계적 부하 그리고 온도 상승이 있다. 기계적 응력은 보통 베어링 수명을 단축시킨다.

일체형 베어링이 없는 로터리 엔코더는 이러한 오류 조건을 제한한다.

애플리케이션

고성능과 소형 및 경량 장치의 설계는 여러 산업 분야에서 항상 중요한 주제였다. 항공우주나 로봇과 같은 가장 눈에 띄는 선진 부문은 추세가 가속화되고 있음을 보여준다. 기술 융합과 통합 장치는 작고 더 효율적이며, 정밀한 자동화 시스템을 위한 전제조건이다.

광 키트 엔코더와 자기 모듈형 엔코더는 무엇보다도 호스트 애플리케이션에 직접 통합되도록 설계됐다.

자동화 시스템 설계자는 콤팩트하고 가벼운 디자인으로 특히 좁고 접근하기 어려운 공간과 최소 무게가 중요한 적용 분야에서 최고의 유연성을 제공한다. 크기를 키우는 부품을 제거하면 설계자는 비용을 절감할 수 있다.

키트 및 모듈형 엔코더는 작고 저렴한 장치의 형태를 취할 수 있으므로 대용량 애플리케이션에 권장된다. 광 키트 엔코더는 무 베어링 작동, 고해상도, 고정밀, 고속, 위치와 속도 피드백(절대 및 증분 트랙)을 위한 이중 트랙옵션이 필요한, 공간이 거의 없는 높은 동역학 애플리케이션에 가장 적합하다. 중공 축 모터와 서보 모터(예 : 직접 구동 토크 모터와 브러시리스 모터 키트), 산업용 로봇과 로봇 조인트, 반도체 산업, 광학 트래킹 시스템, 자재 취급 및 창고 운영을 위한 AGV 시스템, 슬립 링 어셈블리, 전기 기계 및 외과 용 기기, 고성능 기계식 변속기 등이 해당된다.

자기 모듈형 엔코더의 두드러진 특징은 커스터마이징(Customizing), 무 베어링 설계, 최소 크기, 쉬운 장착, 그리고 가장 높은 IP 속도이다. 튼튼하며 먼지와 습기 그리고 오일에 민감하지 않다. 충격과 진동에 강하기 때문에 극한의 혹독한 산업 환경에서도 안정적으로 작동한다.

전형적인 애플리케이션은 다음과 같다. 산업용 로봇과 중공 축, 대형 샤프트 모터, 서보 모터, 토크 모터, 레이더 및 안테나, 비디오 감시 시스템, 전기 기계와 수술 장비, 광학 추적 시스템, OEM 애플리케이션과 다양한 모션제어 그리고 야외 애플리케이션 등이다.

자료 제공 : Lika(www.lika.com)