신호 문제 사례집
증상: 같은 형식의 리드헤드로 교체한 뒤 원점 위치가 몇 카운트 어긋난다 — 원점 창 위치 공차
같은 형식의 리드헤드로 교체한 뒤 원점이 몇 카운트 어긋나는 원인은 장착 위치 결정, 위치 결정 핀 둘레의 회전, 내부 검출 영역 공차이며, 원점 창이 게이팅 여유를 넘으면 주기 건너뜀이 더해진다. 본고는 각 항을 판독 반경에서의 변위와 카운트로 환산하고(r = 15 mm, 2500 라인: 1 카운트 ≈ 9.4 μm), 호환성 예산과 교차 교체 시험을 제시한다.
현장에서 리드헤드를 교체하거나 생산 라인에서 같은 형식의 다른 리드헤드로 재시험하면 원점 복귀 위치가 바뀐다. 한두 카운트일 때도, 서너 카운트일 때도 있고, 가끔은 정확히 4 카운트이거나 Z가 좁아지거나 1회전에 두 번 나타나기도 한다. 코드 디스크도 축도 움직이지 않았고 리드헤드만 바뀌었다. “어느 정도의 어긋남이 정상인가"에 답하려면 먼저 원점 위치를 성분으로 나누고 각각을 판독 반경에서의 변위와 카운트로 환산해야 한다. 그래야 어느 성분을 조여야 하고 어느 성분을 정렬이나 전자적 원점 설정으로 처리할지 판단할 수 있다. 전기 원점과 기계 원점 사이의 전체 오차 사슬은 본 자료실의 용어 편에서 다루며, 여기서는 리드헤드 교체 고리만 본다.
원점 위치를 결정하는 것
게이팅된 Z는 원시 원점 신호와 A = B = 1 사분면의 AND이므로 그 에지는 A와 B의 에지다. 따라서 디스크에 대한 원점의 위치는 두 부분으로 이루어진다.
Z 위치 = s_m + s_i + k·p
- s_m: 회전축에 대한 리드헤드 기준면의 접선 방향 장착 위치. 위치 결정면, 위치 결정 핀과 구멍의 끼워맞춤, 나사 구멍 틈새로 정해진다.
- s_i: 리드헤드 기준에 대한 인크리멘탈 검출 영역의 접선 방향 위치. 리드헤드 내부 공차다.
- k·p: 원시 Z가 어느 신호 주기에 들어가는지. 인크리멘탈 검출 영역에 대한 원점 창의 위치 z로 정해지며, p는 피치다.
앞의 두 항은 연속적으로 변하며 그대로 카운트로 환산된다. 세 번째 항은 주기 단위의 도약이며, z가 게이팅 여유를 넘지 않는 한 k는 변하지 않는다.
환산 기준: r = 15 mm, 2500 라인에서 p = 2πr/N ≈ 37.7 μm이고, 4체배에서 1 카운트는 p/4 ≈ 9.42 μm, 즉 129.6″이다. 두 조립 사이의 원점 차이는
ΔC = (Δs_m + Δs_i)/(p/4) + 4·Δk
호환성 예산
| 항목 | 공차(예시) | 환산 |
|---|---|---|
| 리드헤드 위치 결정(접선 방향) | ±15 μm | ±1.6 카운트 |
| 위치 결정 핀 둘레 회전: 핀에서 검출 창까지 10 mm, 회전 1 mrad | ±10 μm | ±1.1 카운트 |
| 리드헤드 기준에 대한 인크리멘탈 검출 영역 | ±10 μm | ±1.1 카운트 |
| 인크리멘탈 검출 영역에 대한 원점 창 | ±10 μm(전기각 약 ±95°) | 0 또는 ±4 카운트 |
연속 부분의 최악값은 ±35 μm로 약 ±3.7 카운트, 제곱합 제곱근은 약 ±2.2 카운트다(그림 2 왼쪽). 즉 이런 위치 결정 방식에서 “헤드 교체 후 두세 카운트 어긋남"은 정상적인 산포다. 교체 후 원점을 ±1 카운트 이내로 유지하려면 세 항의 합을 ±9.4 μm로 줄여야 하며, 나사와 일반 위치 결정 핀만으로는 달성하기 어렵다.
각도 공차는 자주 과소평가된다. 리드헤드를 핀 하나로 위치 결정하고 두 번째 나사 구멍으로 회전을 제한하는 경우, 회전 Δβ는 검출 창에서 L·Δβ의 접선 방향 변위를 만든다. L은 핀에서 검출 창까지의 거리다. L = 10 mm, Δβ = 1 mrad이면 10 μm, 약 1 카운트다.
임계값 산포의 영향은 더 작다. 게이팅된 Z의 에지는 A와 B로 정해지므로 원시 Z 임계값이 변해도 원시 Z의 폭과 중심만 바뀌고 게이팅 여유가 소모될 뿐이다. 게이팅하지 않은 출력에서만 에지를 직접 움직이며, 전기각 90°에 걸친 원시 Z 에지는 임계값이 10% 변하면 약 9° 움직인다. 겨우 0.1 카운트다.
주기 건너뜀: 원점 창이 게이팅 여유를 넘을 때
원시 Z 폭이 W_r이면 게이팅 여유는 ±(W_r − 90°)/2이다.
- W_r = 180°: ±45°, 즉 ±4.7 μm. 원점 창 내부 공차 ±10 μm만으로도 이를 넘으므로 일부 리드헤드에서는 Z가 좁아진다. 135°~225°의 어긋남에서는 Z가 사라지고, 그 너머에서는 인접 주기로 도약하여 원점이 정확히 4 카운트 어긋난다.
- W_r = 360°: ±135°, 즉 ±14.1 μm로 ±10 μm 공차를 덮는다. 이를 넘으면 원시 Z의 양 끝이 각각 사분면에 걸려 1회전에 좁은 Z 펄스가 두 개 나타나고, 더 나가면 역시 4 카운트 도약한다(그림 2 오른쪽).
따라서 원점 차이가 4의 정수배이거나 Z가 좁아짐·사라짐·이중화를 동반한다면 장착 위치 결정이 아니라 인크리멘탈 검출 영역에 대한 원점 창의 위치를 확인해야 한다. 디스크에서 원점 트랙과 인크리멘탈 트랙의 반경 차이가 클수록 편심과 방위각으로 인한 상대 위상 변화도 커져 이 여유를 함께 소모한다(본 자료실의 원점 정렬 설계 편 참조).
교차 교체 시험
- 기준 확립: 같은 디스크에 떼어내지 않는 기준 리드헤드를 하나 두거나 축에 기준 엔코더를 연결하고, 시험 대상 리드헤드의 Z 위치를 기준의 카운트로 나타낸다.
- 조합 교차: 리드헤드 2~3개와 장착 위치 2곳(또는 기계 본체 2대)을 준비하고, 각 조합을 3회 장착·탈거하며 Z 위치를 기록한다.
- 원인 분리: 특정 리드헤드가 다른 본체에서도 같은 어긋남을 보이면 원인은 리드헤드 내부(s_i 또는 z)다. 어긋남이 본체를 따라가면 장착면과 위치 결정 구멍이다. 같은 조합의 재장착 간 산포가 크면 위치 결정 재현성이 나쁜 것이다.
- 수치 특징 확인: 어긋남이 연속적으로 분포하면 9.42 μm/카운트로 변위를 역산하여 장착 공차·내부 공차와 비교한다. 0과 ±4 근처에 모이면 원점 창과 게이팅 여유를 확인하고, 필요하면 원시 Z 테스트 포인트에서 A = B = 1 사분면에 대한 위치를 본다.
- 대책 결정: 연속 어긋남에는 더 엄격한 위치 결정 핀이나 조립 시 신호 기반 정렬, 주기 건너뜀에는 원시 Z 확대와 원점 창 공차 강화가 필요하다. 시스템이 허용하면 리드헤드 교체 후 컨트롤러에서 원점 오프셋을 재교정한다.
설계 포인트
- 먼저 환산한다. 판독 반경 15 mm, 2500 라인에서 1 카운트 ≈ 9.4 μm이므로 접선 방향 28 μm는 3 카운트다.
- 리드헤드의 접선 방향 위치 결정과 핀 둘레 회전은 리드헤드 내부 공차보다 큰 경우가 많다. 원점 호환이 필요하면 위치 결정부터 조인다.
- 교체 후 원점을 ±1 카운트 이내로 유지하려면 세 연속 공차의 합이 p/4보다 작아야 한다. 미세 피치 디스크에서는 사실상 신호 기반 정렬이나 전자적 원점 설정을 뜻한다.
- 4의 정수배인 원점 차이, 또는 Z의 좁아짐·사라짐·이중화를 동반하는 원점 차이는 인크리멘탈 검출 영역에 대한 원점 창 위치와 원시 Z 폭을 가리킨다.
- 원시 Z 폭이 약 1주기이면 게이팅 여유는 ±135°로, 180° 폭의 ±45°보다 훨씬 넓어 호환성에 유리하다.
- 기준 리드헤드에 대해 카운트하는 교차 교체 시험은 리드헤드 내부, 장착면, 재장착 재현성의 세 가지 원인을 분리한다.
정리
같은 형식의 리드헤드로 교체한 뒤 원점이 몇 카운트 어긋나는 현상에는 장착 위치 결정, 핀 둘레 회전, 내부 검출 영역 공차에서 오는 연속 부분이 있으며 p/4로 카운트로 환산된다. 정확히 4 카운트의 도약은 원점 창이 게이팅 여유를 넘은 데서 온다. 모든 항을 판독 반경에서의 마이크로미터와 카운트로 환산해 호환성 예산을 세우고 교차 교체 시험으로 원인을 분리하면, 위치 결정을 조일지, 원시 Z를 넓힐지, 헤드 교체 후 원점을 재교정할지 알 수 있다.
중국어 원문 기사 번역 (0235). ENC7 코드 디스크 제조사 (문의) · 기술 자료 · https://enc7.com
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