Measuring Principles

3.1.1 측정 시스템 분류

측정 원리의 다양한 유형

산업 응용 분야의 선형 거리 측정에는 다양한 고정밀 거리 측정 시스템이 사용됩니다. 이러한 시스템은 물리적 측정 원리에 따라 여러 범주로 분류할 수 있습니다.

직접 측정 대 간접 측정

구동 요소와 측정 시스템 요소가 어떻게 함께 작동하는지가 중요합니다. 작동 원리에 따라 간접 측정과 직접 측정을 구분합니다.

Indirect Measurement

일체형 위치결정 측정 시스템이 없는 리니어 가이드

구성 요소:

1 = 로터리 엔코더

2 = 모터

3 = 리니어 가이드

4 = 구동 볼 스크류

5 = 테이블

6 = 공작기계 베드

• 선형 변위를 다른 측정값으로 변환
• 예시: 로터리 엔코더가 있는 볼 스크류
• 장점: 저비용 및 소형 구조
• 단점: 변환 과정에서 오차 발생

Direct Measurement (MONORAIL AMS)

일체형 위치결정 측정 시스템(MONORAIL AMS)이 있는 리니어 가이드

구성 요소:

1 = 로터리 엔코더

2 = 모터

3 = 리니어 가이드

4 = 구동 볼 스크류

5 = 테이블

6 = 공작기계 베드

7 = 일체형 위치결정 측정 시스템

• 측정 시스템이 리니어 가이드에 내장됨
• 보다 정확한 판독
• 환경 요인의 영향을 덜 받음
• 정밀 응용 분야에 권장

사용되는 전자 인터페이스 유형에 따라

아날로그 전류 인터페이스(11 µA_SS) 또는 아날로그 전압 인터페이스(1 V_SS)가 사용됩니다. 방향 식별 문제는 위상이 90° 어긋난 두 개의 정현파 신호(사인, 코사인)를 전송하여 해결됩니다. 고분해능 처리(보간)를 위해서는 수신 측에 고급 A/D 변환기 채널 두 개가 필요합니다. 두 채널을 디지털화함으로써 신호의 "극 각도"는 사분면을 판별하여 즉시 결정되며, 삼각법을 이용해 정확한 위치를 도출합니다. 전체 주기는 업-다운 카운터를 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다.

단일 기준 마크, 규칙적인 기준점 그리드 또는 불규칙한 기준점 그리드(거리 코딩)를 포함하는 제품이 있습니다. 통합 수준이 높아짐에 따라 센서 내 평가 전자장치에 신호의 보간을 통합할 수 있습니다. 이러한 시스템은 높은 분해능으로 순수한 디지털 정보(구적 신호)를 제공하며, 시스템 정확도를 결정하는 보간은 거리 측정 시스템 측에서 이루어집니다.

한 가지 단점은 이동 속도와 분해능의 비율이 잠재적인 데이터 전송률에 의해 결정된다는 것입니다. 아날로그 시스템과 보간 전자장치를 내장한 디지털 시스템 모두 증분 신호 전송 방식에 포함됩니다. 절대값 인터페이스는 절대 위치를 직렬 프로토콜(SSI)로 얻거나, 이를 아날로그 증분 데이터 전송과 결합합니다. 절대값 시스템의 본질적인 차이점은 전원을 켠 직후 절대 위치를 바로 사용할 수 있다는 점입니다.

3.1.2 거리 측정 원리 개요

3.1.3 자기저항식 측정 기술

Magnetoresistive Effect

모든 자기저항 효과는 강자성 박막이 외부 자기장에 의해 옴 저항이 변화한다는 사실에 기반합니다. SCHNEEBERGER 거리 측정 시스템의 센서는 이방성 자기저항 효과(AMR 효과)를 사용합니다.

SCHNEEBERGER 거리 측정 시스템의 센서는 1857년 톰슨(Thomson)이 강자성 재료에서 발견한 이방성 자기저항 효과(AMR 효과)를 사용합니다. 도체 내 전류의 방향이 자화 방향과 평행할 때, 전류 방향이 자화 방향에 수직일 때에 비해 저항이 몇 퍼센트 증가합니다.

강자성 재료의 박막을 사용하면, 외부 자기장을 통해 내부 자기장을 배향시켜 자기장 센서를 제작할 수 있습니다. 외부 자기장이 제거된 후에도 내부 자기장은 배향된 상태로 유지됩니다. 이는 강자성 재료의 기본 특성입니다.

바이스 자구(Weiss domain)의 배향

Weiss Domain Orientation

자기 영역(바이스 자구)은 외부 자기장에 따라 배향됩니다.

Physical Phenomenon:

• 외부 자기장 H⃗_r이 재료에 작용
• 자구가 자발적으로 정렬
• 자화 방향이 저항값에 영향을 미침
• 자기저항 효과의 물리적 기반을 형성

MR 스트립을 사용한 자기저항 센서의 원리

MR 스트립 저항 변화 원리

1 = MR 스트립

I = 전류

H_x = 스트립의 고유 자화(주로 형상 이방성에 기인)

H_r = 합성 자화

H_y = 측정 자기장

R_MR = MR 스트립의 저항

R₀ = 평균 저항(무자기장 상태)

dR = 최대 저항 변화량

φ = 자화 방향과 전류 흐름 방향 사이의 각도

Resistance Formula: R_MR = R₀ + dR · cos(2·φ)

MR Strip Characteristics

자기저항식 증분 센서

단일 MR 스트립의 저항은 온도 변화와 자기 간섭 자기장의 영향을 받기 때문에, 일반적으로 네 개의 스트립을 휘트스톤 브리지 형태로 구성하여 센서로 사용합니다. 이 구성의 특징은 (예를 들어 온도 상승으로 인해) 네 저항 모두에서 동일한 변화가 발생하면 출력에서 전압 차이가 생기지 않는다는 점입니다. 측정 가능한 효과를 얻으려면 저항을 적절하게 편향시켜야 합니다. 예를 들어 저항 1은 증가, 2는 감소, 3은 증가, 4는 감소하는 식입니다. 이는 MR 스트립을 주기적 자화 안에 적절히 배치함으로써 구현할 수 있습니다.

따라서 각 센서는 자화된 스케일 주기에 맞게 조정되며 해당 주기에서만 사용할 수 있습니다. 또한 MR 스트립은 개별적으로가 아니라 각각 하나의 자기 주기만큼 떨어진 여러 스트립의 직렬 스위치로 설계됩니다. 이를 등가 위치(equivalent position)라고 부릅니다. 이를 통해 자화 강도와 극 길이에 대한 스케일 편차를 평균화할 수 있습니다.

센서의 2차 특성 곡선(자기장 세기 값을 측정)을 기반으로, 자기 스케일 주기 길이의 절반에 해당하는 초기 신호를 얻을 수 있습니다. MONORAIL AMS 센서의 자기 스케일은 400 µm이므로 전기 신호 주기는 200 µm입니다.

마지막으로, 동일한 두 구조를 신호 주기의 1/4(50 µm)만큼 오프셋하여 사인 및 코사인 신호를 얻으며, 이를 통해 이동 방향과 이동 거리를 측정할 수 있습니다.

전체 센서 구조의 개략도는 다음과 같습니다:

사인 및 코사인 센서의 개략 구조

두 신호 모두 측정 스케일 상의 동일한 위치에서 나오기 때문에, 이 센서는 측방 및 회전 방향 변위에 매우 둔감합니다. 실제로 이는 주기적 측정 변화에서 안정적인 특성으로 나타납니다. 스케일의 자기장 세기는 스케일로부터 y 방향으로 변화합니다. 이로 인해 스케일에서 먼 거리에서는 자기장이 서로 상쇄됩니다. 근거리 범위, 즉 약 한 주기 길이의 거리에서는 y 방향으로 자기장 세기가 거리에 따라 지수적으로 감소합니다.

Magnetic Scale

SCHNEEBERGER는 측정 스케일이 통합된 프로파일 레일 가이드를 제작합니다. 주기적으로 변화하는 자기장(N-S-N-S-N-S...)을 가진 자기 스케일은 MR 센서와 함께 증분 거리 측정에 사용할 수 있습니다.

프로파일 레일 내 자기 스케일의 구조

System Components

완전한 기능을 갖춘 AMS 시스템은 다음을 포함합니다:

완전한 AMS 측정 시스템 구성 요소

1. 측정 스케일이 통합된 가이드 레일
2. 장착 및 연결을 위한 액세서리
3. 완제품 형태의 측정 캐리지
4. 리딩 헤드 장착용 나사
5. 센서와 전자장치를 포함하는 리딩 헤드

측정 캐리지는 한쪽에 하우징이 장착된 MONORAIL 캐리지로 구성됩니다. 하우징에는 리딩 헤드 장착을 위한 지지면을 갖춘 절개부가 있습니다. 리딩 헤드는 나사로 하우징에 고정되어 있어 쉽게 교체할 수 있습니다.

Contact Sampling

증분 신호를 올바르게 처리하려면 센서와 측정 스케일 사이의 작동 거리가 일정하게 유지되어야 합니다. 이 작은 공차는 강성 조정 구조로는 달성할 수 없기 때문에, AMS 거리 측정 시스템은 접촉 슬라이딩 측정 원리를 사용합니다.

MR 센서는 슈 하우징(shoe housing) 안에 봉지되어 있으며, 판 스프링에 의해 수평 위치를 유지하고 압축 스프링에 의해 측정 스케일에 압착됩니다. 슈 하우징에는 연삭된 슬라이딩 면이 있어 센서와 측정 스케일 사이의 일정한 작동 거리를 설정하고 유지합니다.

AMS 거리 측정 시스템의 접촉식 샘플링 어셈블리

슈는 또한 큰 입자와 액체가 통과할 수 없는 스크레이퍼 모서리를 형성합니다. 또한 위에서 언급한 하우징의 스크레이퍼는 접촉식 샘플링에 효과적인 작동 조건을 보장하기 위해 손상되지 않은 상태여야 합니다.

이러한 구조를 통해 모든 마모 부품과 특정 전자장치가 리딩 헤드에 위치하게 됩니다. 측면 장착 방식 덕분에 리딩 헤드는 매우 쉽게 교체할 수 있습니다. 작은 제조 공차 덕분에, 스케일이 있는 가이드는 고정된 상태를 유지하면서 리딩 헤드를 현장에서 쉽게 교체할 수 있습니다.

3.1.4 거리 측정 시스템

Interpolation

거리 측정 응용 분야에서 보간이란 아날로그 입력 신호를 더 작은 신호 주기를 가진 디지털 출력 신호로 변환하는 것을 의미합니다. 카운터 판독값 및/또는 위치 판독값은 아날로그 신호로부터 직접 생성할 수 없기 때문에 이 과정이 필요합니다.

아날로그 입력 신호(sin, cos, Ref)는 디지털 출력 신호(+A, +B, +Z)로 보간됩니다(빨간 화살표). 반전 신호는 표시되지 않습니다.

이를 위해 보간 계수는 아날로그 입력 신호와 디지털 출력 신호 간의 신호 주기 비율을 정의합니다.

신호 전송 및 평가

디지털 신호는 두 개의 증분 신호 +A, +B와 기준 신호 +R로 구성되며, 후단 전자장치로 전송됩니다. 이는 단순한 측정 카운터, PC 또는 기계 컨트롤러일 수 있습니다. 후단 전자장치는 신호 에지를 계수하여 디지털 신호로부터 위치 값을 결정합니다. 계수 방향은 관련 채널의 레벨에 의해 결정됩니다. 평가되는 에지의 수에 따라 다음과 같이 부릅니다:

에지 평가 방식 비교

진폭 제어(AGC - 자동 이득 제어)

진폭 제어란 SCHNEEBERGER AMS 평가 전자장치가 출력 진폭을 특정 값으로 조정하는 기능을 말합니다. AMS 시스템에서는 사인 및 코사인 신호의 순간값이 디지털화되고, 그에 따라 진폭이 계산됩니다. 계산된 값은 공칭값과 비교되며, 그에 따라 MR 센서의 브리지 전압 U_b가 조정됩니다. 이를 통해 안정적인 전압 출력값을 얻을 수 있습니다. 조정 후에는 더 나은 새로운 순간값이 생성됩니다.

Power Sense Function

모든 AMS 제품에는 파워 센스 라인(공급 전압 피드백에 대한 핀 배치 참조)이 장착되어 있어 긴 전원 공급 라인에서 발생하는 전압 강하를 보상합니다. 사용 중인 컨트롤러가 이 기능을 지원하는 경우, 리딩 헤드의 신뢰성 있는 작동을 보장하기 위해 이 기능을 사용할 것을 권장합니다.

Accuracy Class

정밀도 등급은 지정된 작동 조건 하에서 시스템이 나타낼 것으로 예상되는 최대 측정 편차를 규정합니다. 정밀도 등급 5 µm의 거리 측정 시스템은 ±5 µm의 편차를 허용합니다. 비교 목적으로, 정밀도 등급은 1미터의 기준 길이를 기준으로 규정됩니다.

Resolution

분해능은 측정 시스템에서 측정할 수 있는 최소 위치 변화를 나타냅니다. 이는 아날로그 신호 주기, 보간 계수, 그리고 평가 절차(적분 시간 또는 샘플링 레이트)에 의해 결정됩니다. 예를 들어, 보간 계수가 100으로 설정되고 입력 신호 주기가 200 µm인 경우 출력 신호 주기는 2 µm이며, 컨트롤러에서 4체배 평가를 사용하면 분해능은 0.5 µm입니다.

Sampling Rate

샘플링 레이트는 시간 간격당 아날로그 신호가 샘플링되는 빈도를 나타냅니다. 일반적으로 시간 간격은 1초이므로 샘플링 레이트의 단위는 Hz입니다. 나이퀴스트-섀넌 정리에 따르면, 원 신호를 거의 완전하게 재현하려면 샘플링 주파수가 원 신호 주파수의 최소 2배 이상이어야 합니다.

반전 오차/히스테리시스

적절한 시험 장치를 사용하여 반복 위치결정 정밀도 측정을 반대 방향으로 번갈아 수행하면, 오른쪽에서 접근할 때와 왼쪽에서 접근할 때 거리 측정 시스템의 평균 위치 차이를 구할 수 있습니다. 이 차이를 반전 오차 또는 히스테리시스라고 합니다. SCHNEEBERGER는 기술 데이터 시트에 이 값을 명시합니다. 단방향 반복 정밀도는 일반적으로 명시된 히스테리시스 값보다 훨씬 낮습니다.

Repeatability

측정 시스템의 단방향 반복 정밀도는 일반적으로 정확히 동일한 환경 조건 하에서 특정 시스템이 결과를 반복할 수 있는 능력으로 이해됩니다. 이 평가에서는 측정 오차를 파악하여 분석에 포함시켜야 합니다. 공작기계의 반복 정밀도는 특정 위치 및 특정 이동 방향에 대해 간단한 방법으로 결정할 수 있습니다. 반복 정밀도 평가에서는 다수의 측정을 완료한 후 산술 평균과 표준 편차를 계산합니다.

히스테리시스 및 반복 정밀도 측정 다이어그램

Referencing

증분식 측정 시스템(예: AMS-3B, AMS-4B)은 전원을 켠 후 절대 위치를 결정할 수 없기 때문에, 증분 트랙에 또 다른 자기 트랙, 즉 기준 트랙이 추가됩니다. 이 기준 트랙에는 개별 기준점, 기준점 그리드 또는 거리 코딩 기준점을 설정할 수 있습니다. 시스템을 기준화하려면 기준 이동이 필요합니다.

이후 카운터는 기준 신호를 사용하여 내부 카운터를 지정된 값으로 수정할 수 있습니다. 이 과정에서 카운터는 증분 신호들 간의 사전 정의된 상대적 위치, 즉 일반적으로 SIN = COS이고 둘 다 0보다 큰 상태를 추가 정보 REF = "high"로 인식합니다. 다음 그림은 반전된 신호 경로를 보여주며, 이는 신호의 음의 값을 나타낸 것입니다.

신호 주기 200 µm인 아날로그 전압 인터페이스 TSU/TRU/TMI

개별 기준점

개별 기준점은 기준 트랙의 가장 단순한 기능으로, 스케일 상의 임의의 위치에 설정할 수 있습니다. SCHNEEBERGER에서 기준점은 평균화 없이 별도의 MR 브리지로 샘플링되는 세 개의 자기 기준 마커로 구성됩니다. 하나의 기준 데이텀은 기준 펄스의 상승 에지를, 다른 하나는 하강 에지를 나타냅니다. 세 번째 기준 데이텀은 중복이며, 기준점 식별 시스템의 작동 신뢰성을 향상시키는 데 사용됩니다.

기준점 식별 시스템

Reference Point Grid

기준점 그리드의 경우, 여러 기준점이 스케일을 따라 동일한 간격으로 설정됩니다. 고객은 이러한 기준점 중 하나를 선택하여 축의 기준화에 사용합니다.

개별 기준점과 비교했을 때, 그리드의 장점은 우선 외부 추가 요소(캠, 근접 스위치 등)를 목표에 맞게 적용하여 기준 스트로크를 단축할 수 있다는 점이며, 또한 하나의 가이드에서 여러 측정 캐리지를 운용할 수 있다는 점입니다. 이를 위해 스케일을 따라 배치된 개별 기준점들이 각기 다른 측정 캐리지에 해당 기준으로 할당됩니다.

Distance Coding

거리 코딩 기준점의 경우, 두 기준점 사이의 각 간격이 단 한 번만 나타나도록 스케일 상에 배치됩니다. 예를 들어, 거리 측정 시스템 가이드에서 세 개의 기준점을 통과하면 컨트롤러는 절대 위치를 계산할 수 있습니다. 이는 많은 컨트롤러 제조사가 지원하는 산업 표준입니다.

기본 주기로는 일반적으로 값 100이 지정되며, 이는 최악의 경우 기준화를 완료하기 위해 이동해야 하는 거리를 나타냅니다. 기본 주기는 인코딩 가능한 최대 길이를 결정합니다. 짧은 축의 경우, 필요한 최대 이동 거리를 줄이기 위해 더 작은 기본 주기를 선택하는 것이 바람직합니다.

이에 따라 SCHNEEBERGER는 AMS 제품에 대해 서로 다른 기본 주기를 가진 고객 맞춤형 거리 코딩 기준점을 제공합니다.

거리 코딩 원리 다이어그램

Absolute Coding

절대값 측정 시스템의 경우, 기준 트랙 대신 절대 코딩 트랙이 사용됩니다. 이 코딩 시스템은 하나의 트랙에 직렬로 적용되거나 여러 트랙에 병렬로 적용됩니다. 이론적으로는 이 트랙만으로도 거리를 측정할 수 있어야 하지만, 이 코드의 분해능이 상대적으로 작기 때문에 절대 코딩 트랙은 일반적으로 증분 트랙과 결합되어 사용됩니다. 따라서 절대 코드는 측정 시스템이 위치한 신호 주기를 정의하며, 해당 신호 주기 내의 미세 분해능은 증분 신호를 보간하여 얻습니다.

다음 그림은 코딩 시스템의 예시를 보여줍니다:

Serial-coded

직렬 코딩 보간 트랙

Component Description:

1 = 보간 트랙

2 = 비자화 구역

3 = 절대 트랙

Parallel-coded

병렬 코딩 펄스 디스크

Features:

다중 트랙 구성

임의의 위치에서 절대 위치를 직접 결정 가능

직렬 코딩 트랙의 경우, 절대 위치는 연속된 두 신호 주기를 비교해야만 결정할 수 있습니다. 따라서 절대 위치를 알 수 있음에도 불구하고 서로 다른 두 가지 절차가 사용됩니다.

한 가지 방법은 절대 위치를 결정하는 데 필요한 코드를 포함할 만큼 충분히 긴 센서를 사용하는 것입니다. 따라서 이러한 센서는 임의의 위치에서 절대 위치를 직접 결정할 수 있습니다.

또 다른 방법은 평가 전자장치를 2채널 방식으로 구성하는 것입니다. 기계가 꺼져 있을 때에도 두 채널 중 하나는 항상 작동하며(배터리 백업), 축의 위치 변화를 감지합니다. 기계가 켜지면 이 저분해능 위치 정보는 다른 채널의 고분해능 위치 정보와 결합되어 정확한 절대 위치를 구합니다.

SCHNEEBERGER는 절대 위치 결정을 위해 배터리 백업 스캐닝을 사용합니다. 이를 위해 특수한 거리 코딩 기준 트랙이 절대 트랙으로서 가이드에 적용됩니다. 측정 시스템은 이 과정에서 인접한 세 기준 마커 사이의 거리를 결정하고, 결정된 값을 저장된 매트릭스와 대조하여 순간 절대 위치를 결정합니다. 이 예시에서 리딩 헤드는 세 개의 기준 마커를 통과하며 그 간격 "1"(코드 Y)과 "5"(코드 X)를 결정합니다. 절대 위치 "Pos 1:5"는 2차원 매트릭스에서 이 두 측정값에 할당될 수 있습니다.

배터리 백업 스캐닝을 이용한 위치 결정 예시

1차원 거리 측정 편차

Two-dimensional Matrix

측정 스케일의 품질을 확인하기 위해 SCHNEEBERGER는 "DIN EN ISO 10360-2를 이용한 거리 측정 점검을 위한 VDI/VDE 2617 가이드라인"을 지원하는 절차를 사용합니다. 이 과정에서는 기술 사양 측면에서 고객에게 최대한의 이점을 제공하는 데 중점을 둡니다. 기술 데이터는 세 가지 서로 다른 거리 측정 편차 사양을 사용합니다:

• 주기 편차
• 40 mm 구간에 대한 거리 측정 편차
• 1 m 구간에 대한 거리 측정 편차

스케일 품질을 보장하기 위해 허용 편차에 대한 한계 곡선이 설정됩니다. 고객이 흔히 사용하는 서로 다른 기준 길이에 대한 한계 곡선과 측정 편차가 차트에 나열되어 있습니다.

따라서 SCHNEEBERGER 측정 시스템 사양 간의 보간이 허용됩니다.

Periodic Deviations

모든 증분식 거리 측정 시스템에는 스케일 피치 또는 스케일 피치의 일부와 정확히 일치하는 파장을 갖는 주기 편차 현상이 동반됩니다. 이 주기 편차, 즉 단파 편차는 센서 또는 전기 신호 처리의 작은 편차로 인해 발생합니다. 따라서 사인 및 코사인 신호는 수학적으로 정확한 형태에서 벗어나게 됩니다. 편차는 (고조파) 차수에 따라 분류할 수 있습니다.

Interpolation Error

주기 편차가 디지털화 및 위치 계산 과정에서만 발생하는 경우, 이를 보간 오차라고 합니다. 일부 경우, 이는 발신기 회로와 수신기 회로가 서로 정확하게 일치하지 않을 때 쉽게 발생할 수 있습니다.

비교기 오차 / 아베 오차

비교기 오차, 일명 아베 오차는 길이 표준의 축과 거리 표준의 축이 일치하지 않을 때 발생하는 계통적 편차입니다. 편차의 원인은 축 설계에서의 작은 회전 운동이며, 이는 측정 결과에 영향을 미칩니다.