[FA에 관련된 강좌를 시작하면서...]

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[FA에 관련된 강좌를 시작하면서...]
강좌를 시작하기전에...강좌를 진행해 나가면서, 존칭은 생략하겠습니다! 이점 양해하여 주시기 바랍니다!

이 강좌를 제어에 있어서 수학적이고, 학문적인 부분 보다는 실무를 위주로 강좌를 전개해 나갈 것이다.
그러므로 수식을 전개해 나가거나, 공식을 전개해 나가는 것은 가능한 한 배제될 것이다.
이유는 제어에 있어서 학교나 학원에서 그 부분을 다루고 있고, 대부분이 수식을 풀어 나가는 모양이 대부분이기 때문이다.
반면, 실무에 있어서는 많은 부분들이 외면되거나, 아니면, 실무를 경험하지 못하는 환경에 있기 때문에 이를 중점적으로

다룰 것이다.

제어란 무엇인가?
制御 - 한자를 그대로 풀어서 보면, 마르다, 자료를 규격에 맞게 베거나 자르다, 만들다, 짓다 라는

의미가 있는 制 와 御 의 합성된 단어이다.
御는 어거하다, 다스리다, 길들이다의 의미가 있다.
말 그대로 필요한대로 다스린다라는 의미이다.

구체적으로 어떤내용을 강좌의 내용으로 담을 것인가?
무엇을 제어할 것인가?
이것은 산업현장에서 많이 사용하는 DEVICE를 중심으로 내용을 전개해 나갈 것이다.
예를 들면, 서보, 스텝핑, 인버터, ON/OFF 접점들, Analog I/O, 예를 들어서 설명이 가능한 각종 센서 같은 것들 말이다.
제어방식에는 크게 두가지로 얘기 할 수 있을 것이다.
OPEN LOOP와 CLOSED LOOP !
필자는 OPEN LOOP 제어는 제어가 아니라고 말하고 싶다.
왜냐하면, 제어의 원래 의미에 위반되는 것이기 때문이다.
필요한대로 다스리는 데, 예를 들자면, 솔레노이드 벨브를 ON 하라고 했는데, 기구적으로 파손이 되서 못움직이는 상태가

되었거나, Air공급이 차단되서 움직이지 않았는데, 솔레노이드는 ON 명령에 의해 전기적으로는 ON이 되어 있는 상태지만,

실질적으로는 ON이 된 상태가 아니고, 센서를 이용해 Feedback을 받지 않으면, 그대로 ON이 된 것으로 인정하고, 넘어가는 것이다.이것은 제어가 아니라고 할 수 있을것이다.
결국, 이러한 것은 시스템의 파손이나 안전사고를 유발할 수 있는 위험한 요소가 되기 때문이다.

필자는 이러한 내용을 근거로 각각의 DEVICE에 대한 자세한 사용방법과 제어방법을 이 강좌를 통해서 담아내려 하는 것이다.
다분히 실무적이고, 실제 사용하는 제품이나 모델들이 거론될 것이며, 이러한 것들을 통해 실제 제품을 다루는 부분도 많이 있을 것이다. 그리고, 이 강좌의 주된 관점은 PC를 이용한 제어라는 것이다.
기존의 PLC나 CNC 같은 것들은 강좌의 대상에서 제외 될 것이다.
왜냐하면, PLC는 사실상의 OPEN LOOP 제어형태이고, CNC는 현재 PC형 CNC인 PCNC가 봇물처럼 나오고 있는 상황에서 PC를

이용한 제어쪽으로 제어가 이동하고 있는 이유 때문이다.

또한, PLC는 별도의 언어와 기종별 사용방법이 다르고, CNC는 CNC를 이용하여 시스템을 제작하는 회사와 이를 유지보수 하는 사람들이 필요한 내용이고, 이 또한 CNC 메이커별로 사용법이나 운영방법이 다 다르기 때문이다.

특히, 이 강좌를 보는 사람중에서 도움이 될만한 사람들은, 현장에서 유지보수를 담당하거나, 제어를 하는 개발자, 또는 기획,기안
하는 사람, 서보나 스텝핑에 관련되서 제어나 A/S를 하는 사람들에게 조금이나마 도움이 될 것이다.

하지만 로봇축구나 마우스 같은 것을 하는 사람들에게는 크게 도움이 안될 것 같다. 다루는 내용이 산업현장에서 사용하는 것들이 대부분이 될테니까...

그리고, 원칩을 이용한 제어도 배제할 것이다. 원칩은 다분히 전자쪽에 많이 치우쳐 있는 감이 있고, 디지털공학에 가까운 얘기를 많이 하게되기 때문이다.

또 한가지...짚고 넘어갈 사항은 기계에 관련된 내용이다.
전자나 전기, 제어쪽에서 일하는 사람들은 기계를 전혀 몰라도 상관 없다고 생각할지 모르지만 사실은 제어쪽에서 일하는 사람도 기본적인 내용은 어느정도 알고 있어야 한다. 그래야 모터의 용량을 잘못 선정하거나 기계설계를 하는 사람의 실수나 착오를 막을수 있기 때문이다.
그래서, 제어를 하기위한 부분에 있어서 여러분야의 내용을 광범위하게 다루게 될 것이며, 많은 양의 강좌가 필요할 것으로 판단된다.
아마도 A4 용지로 약 50~100장정도의 분량이 되지 않을까 생각된다.
다음 강좌부터 하나하나의 테마를 가지고 강좌를 하게 될 것이다.

이 강좌를 읽는 회원들이 많으면 많을수록, 강좌의 내용이 더 알차게 되고, 더 자세하고, 유익한 강좌가 될것입니다!

**강좌1.
간단하게 기계쪽에 대한 얘기를 조금 언급해 두고 가는 것이 앞으로의 강좌를 위해 좋을 것 같다.

용어에 대해 어느정도 정리를 해보자.

볼스크류(BALL SCREW) :
볼스크류는 스텝핑이나 서보모터의 회전력을 직선구동으로 바꾸어 주는 기구물이다. 일반적으로 볼스크류는 크게 연마급과 전조급이 다. 연마급은 말 그대로 봉에다가 정밀하게 가공을 해서 볼스크류를 만드는 것이고, 전조급은 떡가래를 뽑듯이 볼스크류를 뽑아내는 것이다. 당연히 가격은 연마급이 비싸고, 전조급은 상대적으로 저렴하다.
또한 정밀도에서도 연마급이 정밀하고, 전조급이 상대적으로 정밀도가 떨어진다. 연마급은 열처리까지 되어 있는 경우가 많고, 전조급은 그렇지 않다.
그러므로 시간이 지나면서 전조급볼스크류는 마모로 인한 오차가 커진다. 볼스크류에는 2㎜ - 20㎜ 이상의 것까지 나와 있다.
이 2㎜ - 20㎜를 말하는 기준은 볼스크류의 나사산과 산의 거리로 모터가 1회전을 하면 직선으로 움직이는 거리를 의미한다.
당연히 같은 조건이라면, 피치가 2㎜ 인 볼스크류가 20㎜인 것에 비해 정밀하다는 것을 알수 있을 것이다.

LM 가이드 : 볼스크류와 함께 사용되는 구조물로, 일반적으로 위에서 아래로 향하는 부하를 지탱하고, 이 LM 가이드를 타고 움직일수 있게 된다. 일반적으로 LM 가이드는 하중이 실리면, 그 마찰계수가 거의 가까워 진다고 한다. 정상적으로 LM 가이드가 조립이 되었다면, 위에서 힘을 주고 눌른 상태에서 움직여 본다면, 마치 미끄러지듯이 움직이는 것을 알 수 있다.

Coupling : 모터와 볼스크류를 연결하기 위한 구조물이다.
Coupling이 하는 역할은 모터의 직경과 볼스크류의 직경이 다른 것을 연결하게 만들어 주는 역할이 하나가 있고, 다른 하나는 일반적인 조립의 경우 상하좌우의 평행이나 높이를 정확하게 일치 시키기 어렵다. 이것을 스프링처럼 쉽게 연결하여 약간의 위치나 높이등이 에러가 있어도 그것을 잡아주는 역할을 한다.

백래쉬(BACK RASH) :
이말은 기계설계나 조립하는 사람들이 많이 쓰는 말이다. 의미는 볼스크류를 직선으로 왕복으로 움직였을 때, 나오는 편차이다.
이는 나타날 수 밖에 없는 편차인데, 볼스크류를 타고 움직이게 해주는 볼과 스크류의 골에서 나타나는 편차이다.
볼이 스크류를 타고 움직이는 데 볼과 스크류의 간격이 꽉 맞는다면, 아예 안움직일 것이다.
  /  /
 / O/    <--- 진행방향
/  /
위에서 O 가 볼이라면 볼이 꽉 맞으면 안 움직일 것이다.  / O/에서 공간이 발생하는 데서 나오는 것이다.

토크 (Torque): 일반적으로 토크는 AC Servo에서 많이 얘기한다.
스탭핑 모터의 경우는 주로 전류로 구분을 한다. 모터가 가지는 힘이다.

감속기 :
사용목적이 보통 두가지로 얘기된다. 말 그대로 감속을 목적으로 사용하는 것이고, 다른 하나는 토크(TORQUE) 를 키우기 위해 사용하는 경우이다. 감속에는 사실 토크와 밀접한 관계가 있다. 또한, 모터의 용량과 볼스크류와도 관계가 깊다. 보통, 이러한 부분은 기계를 설계하는 사람들이 거의 관여해서 하는 일이긴 하지만...
제어를 하는 사람은 이 관계를 어느정도 이해하고, 설계하는 사람에게 숙지시켜야 하는 것이 있다.
가감속과 모터의 속도, 이에 따르는 토크와의 관계이다.

일반적으로 기계를 설계하는 사람들은 등속구간에서의 모터 힘만 계산하고, 가감속구간에서의 힘은 토크계산에서 감안하지 않는 경우가 많다. 그러다 보면, 가감속 구간에서의 모터 힘이 부족한 경우가 발생하는 경우가 많고 이로인해 조립이나 테스트 하는 중에 모터를 바꾸고 연결되는 구조물을 다시 설계하고 가공한 다음 조립하는 경우가 허다하기 때문이다.

가감속구간에서의 토크:
가감속구간에서는 가감속시간이 1초일 때, 등속구간과 같은 토크인 1을 소모하며, 0.5초가 되면, 등속구간에서의 2배, 0.1초가 되면, 산술적인 계산으로 10배의 토크를 소모하게 된다.
이러한 부분을 제어를 하는 사람도 알고 있어야 기계설계 하는 사람의 실수를 막을 수 있다는 얘기다.
감속기로 모터의 토크를 키운다는 의미는 모터의 속도를 힘으로 바꾸는 것을 의미한다.
즉, 3000 RPM의 모터를 10대1의 감속기를 써서 기계쪽을 구성했다면, 산술적으로 모터의 용량은 10배 작은 것을 사용해도 동작 가능하다는 것이다. 대신, 사용가능한 최대속도는 실제 구동부에서는 300RPM으로 되는 것이다.

볼스크류 피치와 토크의 관계:
볼스크류의 사용도 이와 유사하다. 볼스크류가 1㎜인 것과 20㎜인 것이 있다면, 같은 부하를 움직이려하면,
어느것이 모터의 용량이 커야 할까? 볼스크류피치가 20㎜ 인 것이 당연히 모터 용량이 커야 한다.
똑같이 모터가 1회전하여 1㎜를 움직여야 하는 것과 20㎜를 움직이는 것은 당연히 20㎜를 움직이는 쪽이 힘 더 필요한 것이다.
또한가지는 여기에서 정밀도도 어느정도 결정이 된다.

기계 정밀도와 제어정밀도 :
기계정밀도 : 기계 자체가 가지는 정밀도로, 일반적인 기계의 경우, 약 100㎛ 정도의 정밀도까지는 일반적인 기계에서 가지는 정밀도이다. 그러나 반도체 같은 정밀제어 분야에서는 1㎛이하의 고정밀을 요구하고 있으며, 요즘에 한참 뜨고 있는 나노 기술은 이보다 1000배 더 정밀한 것을 의미하는 것이다.
보통은 일반적인 볼스크류의 경우, 10㎛의 허용 오차를 가지고 있으며, 이는 제어하는 모터가 움직이지 않고, 정지한 상태에서 기구부를 움직일 경우, 움직일 수 있는 값이다. 조립상태나 조립된 기계 부품의 가공정도에 따라 그 값은 커지고 작아질 수 있다.
제어정밀도 : 서보모터이든, 스텝핑이든 한 개의 펄스를 내 보냄으로서 움직일 수 있는 최소 이동거리이다. 이것은 볼스크류의 피치와 감속기의 사용유무, 얼마나 정밀한 모터를 사용했는가에 좌우되는 값이다.
요즘 판매되는 AC Servo의 경우, 보편적으로 1회전당 10000펄스 이상의 모터가 판매되고 있으므로, 10㎜ 피치의 볼스크류를 사용하고, 10000펄스의 모터를 연결했다면, 제어정밀도는 1㎛가 되는 것이고, 일반적인 서보의 경우, 아무리 잘 튜닝을 해도 ± 1펄스는 좌우로 흔들고 있기때문에 ±1㎛의 에러를 가지고 있는 제어시스템이라고 할 수 있다.

모터의 관성:
모터의 관성은 저관성모터인가? 고관성의 모터인가? 보통은 이렇게 구분을 한다. 그럼! 저관성모터의 사용처와 고관성모터의 사용처는 어떤가? 말 그대로 저관성은 저관성의 부하에 사용하게 만들어 놓은 모터이다.
저관성의 대표적인 예가 볼스크류이다. 물론, 부하의 하중이 크다면, 이 또한, 필요에 따라 고관성 모터를 사용하는 경우가 있다.
볼스크는 시간 지연요소가 거의 없이 바로 응답하는 기계 구조물이다.
그러므로, 빠른 가감속 10 mSec 이하의 빠른 가감속 사용이 가능하다.
고관성 모터 : 고관성 모터의 적용 예는 원판이나 벨트 같은 구조물이다. 시간 지연요소가 있기 때문에 응답성을 떨어뜨리고, 모터 자체도 관성에 대응할수 있게 제조 되었으며, 모터 자체만으로도 빠른 가감속을 사용할 수 없는 구조를 가지고 있다. 그러므로, 100∼1000 mSec 이상의 가감속이 느린 제어를 할 수밖에 없다. 빠른 가감속을 사용하게 되면, 위치를 잡지 못하고, 자기 혼자 왔다 갔다하는 현상이 나오거나, 심한 진동이 발생할 것이다.

벨트와 풀리 :
모터를 사용하여 동력을 전달하는 방법중 하나가 벨트와 풀리를 사용하는 것이다. 서보나 스텝핑모터를 사용하는 경우, 제어하기 어려운 구조물중 하나이다. 이유는 동력을 전달하는 매체인 벨트가 시간지연 요소가 있기 때문이다.
또한, 제어하기 까다로운 원판부하에 해당하는 풀리가 있기 때문이기도 하다.

원판부하 :
원판부하는 원판의 관성으로 인해 원판이 같은 무게라 하더라도 원판이 얼마나 넓은가와 관련이 많다. 또한, 가능한한 무게가 가벼워야 하고, 고관성 모터를 사용해야 정상적으로 사용하는 가능하다.
특히, 빠른 가감속(0.3초 - 0.1초 이하)을 사용하기 어려운 부하이므로 이러한 것들을 고려 해야한다.

캠 : 하나의 모터로 두 개 이상의 모터가 있는 것처럼 일정한 비율로 2개 이상의 축을 구동하고자 할 경우 사용하는 것이다. 많은 테스트와 정확한 계산에 의해 만들어진 캠이 아니라면, 많은 시행착오와 테스트를 거쳐야 사용 가능한 구조물이다. 이 또한, 원판부하와 비슷한 부하로 제어하기 까다로운 구조물중에 하나이다.

제어와 하드웨어에 너무 동떨어진 얘기를 강좌한건 아닌지 모르지만, 꼭 알고 있어야 하는 부분이기에 이번 강좌에 이러한 내용을 올렸습니다.