기존의 랙 앤 피니언 트윈 드라이브, 스플릿 피니언 기반 디자인, 롤러 피니언 시스템 사이에는 많은 차이점이 있습니다.

항공우주부터 공작 기계, 유리 절단, 의료 등에 이르기까지 제조 공정은 안정적인 모션 제어에 의존합니다. 이러한 응용 분야에 필요한 속도와 정밀성을 제공하는 것은 다양한 서보 제어 선형 구동 시스템입니다.
일반적인 설정 중 하나는 서보 제어와 전통적인 인벌류트 랙 앤 피니언을 결합하는 것입니다. 후자는 걸림과 과도한 마모를 방지하기 위해 랙과 기어 이빨 사이에 간극이 필요할 수 있으며, 그렇지 않으면 환경 변화(예: 10° 온도 변화)로 인해 기어 이빨이 팽창하면서 시스템이 잠길 수 있습니다. 반면, 간극은 백래시를 발생시키며, 이는 오차와 같습니다.

트윈 및 스플릿 피니언의 클리어런스 문제
정밀 응용 분야의 경우, 클리어런스 문제를 해결하는 일반적인 방법은 첫 번째 시스템에 반대 방향으로 당기는 두 번째 피니언을 추가하여 제어 장치 역할을 하는 것입니다.

이 아이디어를 한 번 더 발전시킨 것이 스플릿 피니언(split pinion)을 사용하는 것입니다. 이 경우, 피니언의 측면 중앙을 잘라내고 두 부분 사이에 스프링을 배치합니다. 스플릿 피니언이 랙을 따라 움직일 때, 피니언의 첫 번째 절반은 랙 톱니의 한쪽을, 나머지 절반은 다음 랙 톱니를 밉니다. 이렇게 스플릿 피니언을 사용하면 백래시와 오차를 줄일 수 있습니다.

여기서 피니언의 절반만 작동하고 나머지 절반은 제어 역할을 하므로 토크 용량이 제한됩니다. 또한, 구동 역학이 스프링의 힘을 극복해야 하므로 운동 손실이 발생하여 전반적인 효율이 저하됩니다. 가속 상태에서 움직이는 동안 스프링은 약간의 변형을 일으켜 운동 정확도를 저하시킬 수 있습니다. 마지막으로, 피니언이 드릴링과 같은 작업을 위해 정지했을 때, 피니언의 스프링 시스템은 강성을 유지하는 대신 약간 휘어질 수 있습니다.

또 다른 간극 해결 방법은 트윈 피니언 시스템입니다. 이 시스템에서는 두 개의 개별 피니언이 동일한 랙을 따라 이동합니다. 피니언은 마스터/슬레이브 방식으로 작동하며, 선두(마스터) 피니언은 위치 조정을 담당하고, 두 번째(슬레이브) 피니언은 백래시를 상쇄합니다. 일반적으로 피니언은 전자적으로 제어되므로 정확도가 유지되고 시스템 마모를 보상하기 위해 제어 설정을 조정할 수 있습니다.

문제는 무엇일까요? 트윈 피니언 시스템은 설계자가 일반적으로 모터, 피니언, 기어박스를 추가로 구매해야 하기 때문에 비용이 많이 들 수 있습니다. 또한 설계 면적도 커야 합니다. 두 번째 모터는 구동을 위해 더 긴 길이가 필요합니다. 예를 들어, 사용자가 모션 제어 시스템을 1미터 왕복 운동시키려면 두 번째 피니언을 수용하기 위해 1.2m 또는 1.3m의 랙 길이가 필요하며, 두 번째 피니언은 첫 번째 피니언보다 200~300mm 뒤에 위치합니다. 마지막으로, 일반적으로 5~10년의 설계 수명 주기 동안 두 모터에 전력을 공급하는 데 드는 비용은 상당히 높습니다.

롤러 피니언 드라이브의 백래시 없는 작동은 이 라우팅 머신과 같은 긴 스트로크 애플리케이션에 적합합니다.
또 다른 옵션: 롤러 피니언
롤러 피니언 기술은 베어링 지지 롤러로 구성된 피니언으로, 맞춤형 치형을 가진 랙과 맞물립니다. 두 개 이상의 롤러가 랙 치형과 항상 마주보도록 연결되어 분할 피니언 및 피니언 구동 시스템보다 더 높은 정확도를 제공합니다. 즉, 각 롤러는 접선 방향으로 각 치면에 접근한 후, 치면을 따라 굴러가며 마찰을 줄여 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 효율이 99% 이상입니다.

롤러 피니언은 사용자 정의된 이빨 모양에 맞물리는 베어링 지지 롤러로 구성됩니다.
이 설계는 스프링이 없어 정확도가 떨어지거나 저하되지 않으며, 스프링 장력을 극복하는 데 따른 효율성 손실도 없습니다. 또한, 롤러 작동 시 유격이 필요 없으므로 백래시와 오차가 발생하지 않습니다. 반면, 기존 랙 앤 피니언 시스템의 경우, 피니언 톱니 하나가 랙 톱니의 한쪽 면을 밀고 바로 다음 톱니 면으로 이동해야 합니다.

롤러 피니언은 여러 개의 이빨을 동시에 측면에 두고, 한 이빨의 한쪽 면에 걸쳐 있으면서 다른 이빨과 여유 공간을 확보합니다. 첫 번째 피니언을 상쇄하기 위해 두 번째 피니언이 필요하지 않습니다. 한 피니언이 필요한 토크 용량을 정확하게 전달합니다.

롤러 피니언 기반 설계는 수명을 연장하고 유지 보수를 줄입니다. 저속 어플리케이션에서는 윤활 없이도 시스템을 작동할 수 있습니다. 기존 랙은 시간이 지남에 따라 마모되고 위치 정확도와 토크에 대한 보상이 필요하지만, 롤러 피니언은 정확도를 유지합니다. 두 설계 모두 피니언을 정기적으로 교체해야 하지만, 적어도 트윈 피니언과 비교하면 롤러 피니언의 전체 교체 비용이 더 저렴합니다.

응용 프로그램 예제
대형 항공기 동체 패널 생산을 생각해 보십시오. 이 응용 분야는 갠트리형 기계에서 긴 이동 거리와 높은 정밀도를 요구할 수 있습니다. 롤러 피니언 드라이브는 이러한 긴 거리에서 정확한 선형 위치 결정을 제공합니다.

반면, 기존 랙 앤 피니언 방식의 위치 정확도는 간극 요건으로 인해 충분하지 않을 수 있습니다. 최소 간극은 짧은 이동 거리에서는 정확도를 유지하지만, 장거리에서는 제조 및 설치 비용이 많이 들 수 있습니다. 트윈 피니언 시스템(두 개의 피니언이 서로 예압된 시스템)도 구현할 수 있지만, 비용이 많이 들고 일반적으로 장거리에서 발생하는 간극 변동을 고려하지 못합니다.

트윈 피니언 시스템의 또 다른 일반적인 용도는 유리섬유 라우팅 머신에서 커팅 헤드를 위치시키는 것입니다. 트윈 피니언 드라이브는 처음에는 이 용도에 잘 맞을 수 있지만, 유리섬유 먼지와 맞은편 피니언에서 발생하는 지속적인 슬라이딩 마찰이 결합되어 조기 마모를 유발할 수 있습니다. 슬라이딩 대신 롤링을 활용하는 롤러 피니언 시스템을 사용하면 수명을 300% 이상 향상시킬 수 있습니다.

롤러-피니언 시스템의 회전 버전을 사용하여 다축 위치 지정을 수행할 수도 있습니다. 이 경우, 여러 개의 피니언(모두 독립적으로 움직이는)이 하나의 기어에 장착됩니다. 이 설계는 이러한 애플리케이션에서 종종 사용되는 트윈 피니언 드라이브보다 공간을 덜 차지합니다.