일본계 로봇 전문 기업 IAI는 세계적으로 유명한 소형 제조용 로봇 분야의 강호다. 최근 IAI는 배터리리스 앱솔루트 엔코더(Batteyless Absolute Encoder)를 적용한 자사 제품 라인업을 점차 확대하고 있는 상황으로, 특히 2017년 이후 대부분의 신제품에 해당 기술을 적용했다. 본지에서는 IAI의 한국지사인 (주)아이에이코리아 황주하 차장의 도움을 받아 이 기술을 상세하게 살펴봤다.
 

배터리리스 앱솔루트 엔코더

 

최근 IAI 제품에 사용되는 모터에는 배터리리스 앱솔루트 엔코더(Batteyless Absolute Encoder)가 장착되고 있다. 현재 대부분의 라인업에 배터리리스 앱솔루트 엔코더 기술이 탑재되고 있으며, 점차 확대되고 있는 상황이다. 특히 2017년 이후 런칭된 일부 특수 모터 제품을 제외한 모든 신제품에는 기본적으로 배터리리스 앱솔루트 엔코더가 채용되고 있다.

엔코더
배터리리스 앱솔루트 엔코더 소개에 앞서 일반 엔코더에 대해 간략히 소개하자면, 일반적으로 전동 실린더는 모터를 사용해 슬라이더(Slider)나 로드(Rod)를 움직이게 되는데 이때 모터의 회전수(슬라이더나 로드의 위치정보)를 전기 신호로 부호화해주는 장치를 엔코더라 한다.
엔코더는 기준점을 포함한 전동 실린더의 위치정보를 컨트롤러로 피드백시켜 전동 실린더의 정밀 제어가 가능하도록 해주는 부속 장치이다.

엔코더의 종류
엔코더는 여러 가지 방식으로 분류할 수 있고 그 종류 또한 다양하다. 본문에서는 위
치정보를 기억하는 방법에 따라 분류되는 인크리멘탈 엔코더(Incremental Encoder)
와 앱솔루트 엔코더에 대해 간략히 설명한다.
인크리멘탈 엔코더는 전원 OFF 시 위치정보(슬라이더 또는 로드의 현재 상태)를 잃
어 재가동 시에 원점복귀 동작이 필요한 엔코더이다. 여기서 원점복귀란 슬라이더 또
는 로드를 원점위치(0㎜의 위치)로 이동시키는 특수 동작을 의미한다.
또한 앱솔루트 엔코더는 별도의 배터리를 사용해 위치를 기억하고, 전원 OFF 시에도
위치를 기억하는 엔코더를 말한다. 위치정보를 기억하고 있기 때문에 전원 투입 후에
도 원점 복귀 동작이 필요하지 않지만, 배터리 비용 및 주기적인 관리가 필요하다.

 

인크리멘탈 엔코더와 앱솔루트 엔코더의 전원 ON 후의 비교

 

배터리리스 앱솔루트 엔코더

배터리리스 앱솔루트 엔코더는 배터리를 사용해 전기적으로 위치 정보를 저장하는 방식의 기존 앱솔루트 배터리와 달리 1개의 주축기어와, 주축에 연결되는 2개의 종속 기어를 사용해 기계적 메커니즘으로 위치정보를 기억하는 엔코더이다.

 

배터리리스 앱솔루트 엔코더의 구조
[그림1]은 엔코더 구조를 나타낸 그림으로, 가운데 위치한 주축기어는 모터의 회전자와 연결돼 있으며, 상·하단에 위치한 종속기어A와 종속기어B가 주축기어에 맞물려 같이 회전한다. 
여기서 주축기어와 종속기어A, 종속기어B의 톱니 수는 각각 25개, 24개, 23개로 구성되어 있으며, 이는 주축기어의 회전각도와 각 종속기어의 회전각도가 조금씩 차이가 나는 구조이다. 
또한 각 기어에는 회전각도를 감시하는 센서가 탑재돼 있고, 이 데이터를 기초로 원점위치부터의 거리값을 산출하게 된다. 여기서 센서는 각 축의 회전각도를 계산해 엔코더 내부의 CPU에 전달하는 역할을 한다.

 

그림1. 배터리리스 앱솔루트 엔코더 외형도

 

회전각도 산출을 위한 센서

 

기어와 위치데이터 취득 방법
[그림2]는 3개의 기어가 움직일 때의 회전각도를 도식화한 그림이다. 기어의 톱니수가 다르기 때문에 회전에 따라 주축, 종속축A, 종속축B의 회전각이 조금씩 다르게 회전한다. 
[그림2]를 회전수에 따라 다시 표시하면 [그림3]과 같이 표현할 수 있다. 
일정한 횟수의 회전(552회)까지는 각 기어의 회전각이 다르게 표시되며, 각 기어의 회전각이 모두 일치하는 0°에서 시작해 다시 모든 기어의 회전각이 0°로 일치될 때까지의 총 회전수는 552회전이 된다. 
즉, 552번의 회전을 하는 동안 각 기어의 회전각도는 모두 다른 경우의 수가 발생되고 이를 이용하면 모터 회전에 따른 고유의 위치 정보를 얻을 수 있게 된다.
예를 들면 리드(Lead) 8㎜ 사양의 경우 8㎜×552회전은 4,416㎜까지 거리에 대해서 표현이 가능하다. 즉, 주축과 종속 축의 기어 위치에 따라 0~4,416㎜까지의 거리 정보를 얻을 수 있는 것이다.
IAI는 이 같은 구조의 엔코더를 채용했기 때문에 별도의 배터리가 없이도 위치정보의 기억이 가능하다.

 

그림2

 

그림3

전원 투입 후 위치정보 취득 과정
배터리리스 앱솔루트 엔코더는 위치정보를 액추에이터(보다 구체적으로는 액추에이터를 구동하는 모터)가 갖고 있고, 전원이 투입되면 액추에이터의 위치 정보가 자동으로 컨트롤러로 전송되는 방식이다. 
즉, 전원이 투입되는 순간 컨트롤러가 액추에이터의 위치정보를 취득하게 되며, 이 때문에 전원 OFF 시에 액추에이터가 움직이거나, 액추에이터와 컨트롤러를 연결하는 MPG케이블이 분리됐던 경우에도 ABS리셋 과정 없이 바로 작업이 가능하다. [그림4]는 엔코더와 컨트롤러 간의 데이터 플로우를 나타냈다. 

 

그림4. 엔코더와 컨트롤러 간 데이터 플로우

 

전원이 투입되면 3개의 기어에 있는 센서의 회전각 정보가 엔코더 내부 CPU에 전달되고, CPU에서 계산된 위치정보를 컨트롤러에 전송한다. 위치정보가 확인되면 이후의 통상 이동에는 별도의 광학식 엔코더를 사용해 위치를 제어한다.

 

* 본 기사에 활용된 이미지는 (주)아이에이코리아로부터 제공받았음을 알려드립니다.

 

필자. (주)아이에이코리아 황주하 차장