전통적인 랙 앤 피니언 방식의 트윈 드라이브, 스플릿 피니언 기반 설계, 그리고 롤러 피니언 시스템 사이에는 수많은 차이점이 있습니다.

항공우주, 공작기계, 유리 절단, 의료 등 다양한 제조 공정은 안정적인 모션 제어에 의존합니다. 이러한 응용 분야에 필요한 속도와 정밀도를 제공하는 것이 바로 다양한 서보 제어 방식의 선형 구동 시스템입니다.
일반적인 구성 방식은 서보 제어와 전통적인 인벌류트 랙 앤 피니언을 결합하는 것입니다. 후자는 랙과 기어 톱니 사이에 간극이 있어야 걸림과 과도한 마모를 방지할 수 있으며, 그렇지 않으면 환경 변화(예: 10°C 온도 변화)로 인해 기어 톱니가 팽창하여 시스템이 고착될 수 있습니다. 반면에 간극은 백래시를 발생시키는데, 이는 곧 오차를 의미합니다.

트윈 피니언과 스플릿 피니언의 간극 문제
정밀 가공의 경우, 간극 문제를 해결하는 일반적인 방법 중 하나는 첫 번째 시스템과 반대 방향으로 작용하는 두 번째 피니언을 추가하여 제어 장치 역할을 하도록 하는 것입니다.

이 아이디어의 한 가지 변형은 분할 피니언을 사용하는 것입니다. 분할 피니언은 기본적으로 측면 중앙을 따라 절단되고 두 부분 사이에 스프링이 위치합니다. 분할 피니언이 랙을 따라 움직일 때, 피니언의 첫 번째 부분은 랙 톱니의 한쪽 면을 밀고 나머지 절반은 다음 랙 톱니를 미게 됩니다. 이러한 방식으로 분할 피니언은 백래시와 오차를 제거합니다.

이 경우 피니언의 절반만 구동력을 발생시키고 나머지 절반은 제어 역할을 하기 때문에 토크 용량이 제한됩니다. 또한 구동 역학이 스프링의 힘을 극복해야 하므로 운동 손실이 발생하여 전체 효율이 저하됩니다. 가속 중에도 스프링이 약간 휘어지면서 동작 정확도가 떨어질 수 있습니다. 마지막으로 드릴링과 같은 작업을 위해 피니언이 정지해 있을 때, 피니언 내부의 스프링 시스템이 강성을 유지하는 대신 약간 휘어질 수 있습니다.

또 다른 간극 조정 방법으로는 트윈 피니언 시스템이 있습니다. 이 시스템에서는 두 개의 독립적인 피니언이 동일한 랙을 따라 움직입니다. 피니언은 마스터/슬레이브 방식으로 작동하며, 선행(마스터) 피니언은 위치 조정을 담당하고 후행(슬레이브) 피니언은 백래시를 보정합니다. 일반적으로 피니언은 전자식으로 제어되므로 정밀도가 유지되고 시스템 마모를 보정하기 위해 제어 설정을 조정할 수 있습니다.

단점은 무엇일까요? 트윈 피니언 시스템은 설계자가 일반적으로 두 번째 모터, 피니언, 기어박스를 구매해야 하므로 비용이 많이 들 수 있습니다. 또한 설계 공간도 증가해야 합니다. 두 번째 모터는 구동을 위해 더 긴 랙을 필요로 합니다. 예를 들어, 모션 제어 시스템이 1미터 왕복 운동을 해야 하는 경우, 첫 번째 피니언보다 200~300mm 뒤쪽에 위치하는 두 번째 피니언을 수용하기 위해 1.2m 또는 1.3m의 랙 길이가 필요합니다. 마지막으로, 두 개의 모터를 구동하는 데 드는 비용은 일반적인 5~10년의 설계 수명 주기 동안 상당한 부담이 됩니다.

롤러 피니언 드라이브는 백래시 없이 작동하므로 이 라우팅 머신과 같은 긴 스트로크 용도에 적합합니다.
또 다른 옵션: 롤러 피니언
롤러 피니언 기술은 베어링으로 ​​지지되는 롤러로 구성된 피니언이 맞춤형 톱니 프로파일을 가진 랙과 맞물리는 구조를 포함합니다. 두 개 이상의 롤러가 항상 랙의 톱니와 마주보도록 연결되어 분할 피니언 및 피니언 구동 시스템보다 높은 정밀도를 제공합니다. 간단히 말해, 각 롤러는 접선 방향으로 각 톱니면에 접근한 후, 톱니면을 따라 굴러가면서 마찰을 최소화하고 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 효율을 99% 이상 달성합니다.

롤러 피니언은 베어링으로 ​​지지되는 롤러와 맞춤형 톱니 프로파일로 구성됩니다.
이 설계는 스프링이 없어 정확도가 저하되는 것을 방지하고, 스프링 힘을 극복하는 데 드는 효율 손실도 없습니다. 또한 롤러 작동 방식은 간극이 필요 없으므로 백래시와 오차를 제거합니다. 반면 기존의 랙 앤 피니언 시스템에서는 피니언 톱니 하나가 랙 톱니의 한쪽 면을 밀어낸 후 즉시 다음 면으로 이동해야 합니다.

롤러 피니언은 여러 톱니를 동시에 지지하며, 한 톱니의 한쪽 면을 가로질러 다른 톱니와 간격을 유지합니다. 따라서 첫 번째 피니언의 토크를 상쇄하기 위한 두 번째 피니언이 필요하지 않으며, 하나의 피니언만으로 필요한 토크를 정확하게 전달할 수 있습니다.

롤러 피니언 기반 설계는 수명을 연장하고 유지보수 비용을 줄여줍니다. 저속 작동 시에는 윤활 없이도 시스템을 작동할 수 있습니다. 기존 랙은 시간이 지남에 따라 마모되고 위치 정확도 및 토크 보정이 필요하지만, 롤러 피니언은 정확도를 유지합니다. 두 설계 모두 피니언은 주기적인 교체가 필요하지만, 적어도 트윈 피니언과 비교했을 때 롤러 피니언의 전체 교체 비용이 더 저렴합니다.

응용 사례
대형 항공기 동체 패널 생산을 예로 들어보겠습니다. 이러한 작업에는 갠트리형 기계를 사용하여 긴 이동 거리와 높은 정밀도가 요구될 수 있습니다. 롤러 피니언 드라이브는 이러한 긴 거리에서 정확한 직선 위치 제어를 제공합니다.

반면, 기존의 랙 앤 피니언 방식은 간극 요구 사항으로 인해 위치 정밀도가 부족할 수 있습니다. 최소한의 간극은 짧은 이동 거리에서 정밀도를 유지하지만, 장거리 이동 시 제조 및 설치 비용이 많이 들 수 있습니다. 두 개의 피니언이 서로에 대해 예압되는 트윈 피니언 시스템을 사용할 수도 있지만, 이 또한 비용이 많이 들고 일반적으로 장거리 이동 시 발생하는 다양한 간극을 고려하지 못합니다.

트윈 피니언 시스템의 또 다른 일반적인 용도는 유리섬유 가공기에서 절삭 헤드의 위치를 ​​조정하는 것입니다. 트윈 피니언 구동 방식은 처음에는 이 용도에서 잘 작동할 수 있지만, 유리섬유 분진과 반대쪽 피니언에 의해 발생하는 지속적인 슬라이딩 마찰이 결합되어 조기 마모를 유발할 수 있습니다. 슬라이딩 대신 롤링을 이용하는 롤러 피니언 시스템을 사용하면 수명을 300% 이상 연장할 수 있습니다.

롤러 피니언 시스템의 회전식 버전은 다축 위치 제어에도 사용할 수 있습니다. 이 경우 여러 개의 피니언(모두 독립적으로 움직임)이 하나의 기어에 장착됩니다. 이 설계는 이러한 용도에 종종 사용되는 트윈 피니언 드라이브보다 공간을 적게 차지합니다.