Origin Sensor란? 기계 원점 검출 원리

Origin Sensor란 서보축의 Homing 과정에서 기계 원점이 있는 기준영역을 검출하는 센서입니다. 근접·광센서와 Encoder Index를 이용해 기준위치를 결정하는 원리를 알아봅니다.

Origin Sensor란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

Origin Sensor는 Servo Axis나 자동화설비에서 기계의 기준위치인 Origin 또는 Home을 검출하기 위해 사용하는 Sensor입니다. Linear Stage, Ball Screw Axis, Robot Transfer와 같은 Position Control System에서는 Controller가 현재 위치를 정확히 알아야 목표위치로 이동할 수 있습니다. 특히 Incremental Encoder를 사용하는 Servo System은 전원을 다시 투입했을 때 실제 Machine Position과 내부 Position Count의 관계를 다시 설정해야 하는 경우가 있습니다. 이때 Homing Sequence를 실행하여 Axis를 정해진 방향으로 이동시키고 Origin Sensor가 특정 Dog, Target 또는 기계구조물을 검출하면 기준영역에 도달했다고 판단합니다. 이후 검출위치를 Machine Coordinate의 기준으로 사용하거나 Encoder Index를 추가로 탐색하여 더 정밀한 Reference Position을 설정할 수 있습니다. 따라서 Origin Sensor는 Motor를 직접 제어하는 장치가 아니라 Servo System이 실제 기계좌표와 Controller 내부의 Position Coordinate를 연결할 수 있도록 기준정보를 제공하는 역할을 합니다.

원점 검출에는 어떤 종류의 센서를 사용할까?

Origin Sensor에는 Inductive Proximity Sensor, Photoelectric Sensor와 Mechanical Limit Switch 등 다양한 장치를 사용할 수 있습니다. Inductive Proximity Sensor는 금속 Dog나 Target을 비접촉으로 검출하므로 접점 마모가 없고 산업용 Linear Axis에서 널리 사용됩니다. Photoelectric Sensor는 빛의 차단이나 반사를 이용하기 때문에 작은 Target을 빠르게 검출할 수 있지만 Dust, Oil과 주변환경의 영향을 고려해야 합니다. Mechanical Limit Switch는 구조가 단순하고 물리적인 위치를 직접 검출할 수 있지만 접촉식이므로 Mechanical Wear와 Contact Bounce가 존재할 수 있습니다. 필요한 Repeatability, Axis Speed, 설치공간, 오염환경과 유지보수 조건에 따라 적절한 Sensor를 선택해야 합니다. Servo System에서는 Origin Sensor와 Positive·Negative Overtravel Limit Sensor를 별도로 설치하는 경우도 많습니다. 이 센서들은 물리적으로 비슷한 제품을 사용할 수 있지만 Origin은 Coordinate Reference를 찾기 위한 것이고 Limit는 Axis가 허용된 Travel Range를 벗어나는 것을 방지하기 위한 것이므로 역할이 다릅니다.

Sensor ON 위치가 항상 정확한 기계 원점일까?

Origin Sensor가 ON되는 순간을 그대로 최종 Machine Zero로 사용할 수도 있지만 정밀 Servo System에서는 Sensor Switching Point만으로 원점을 결정하지 않는 경우가 많습니다. 모든 Sensor에는 Repeatability와 Hysteresis가 있으며 Axis가 접근하는 Speed와 Direction, Target의 형상과 Sensor Mounting 상태에 따라 검출위치가 조금씩 달라질 수 있기 때문입니다. 예를 들어 Proximity Sensor는 Target이 접근하면서 ON되는 위치와 멀어지면서 OFF되는 위치 사이에 Hysteresis가 존재합니다. 따라서 Homing에서는 먼저 비교적 빠른 Search Speed로 Sensor 영역을 찾고 이후 저속으로 다시 Sensor Edge를 검출하는 방식을 사용할 수 있습니다. 더 높은 Repeatability가 필요하면 Sensor가 Origin 영역을 찾은 뒤 Encoder의 Z Phase 또는 Index Pulse를 탐색하여 최종 Reference Position을 결정합니다. 즉 Origin Sensor는 정확한 하나의 점이라기보다 ‘기준점이 존재하는 영역’을 찾는 장치로 사용하고 Encoder가 정밀한 Position Reference를 제공하도록 구성할 수 있습니다.

Origin Sensor와 Encoder Index는 무엇이 다를까?

Origin Sensor는 Machine Frame이나 Axis 구조물에 설치되어 Mechanical Position을 검출하지만 Encoder Index는 Motor Encoder 내부에서 발생하는 Electrical Reference Signal입니다. Incremental Encoder의 Z Phase는 일반적으로 한 회전마다 특정 위치에서 Pulse를 발생시켜 Motor Shaft의 반복 가능한 Angular Reference를 제공합니다. Index는 정밀한 기준을 제공할 수 있지만 Motor가 여러 번 회전하는 Linear Axis에서는 어느 회전의 Index가 실제 Machine Home인지 Index만으로 구분하기 어려울 수 있습니다. 반면 Origin Sensor는 Machine의 특정 위치에만 설치되므로 어느 영역이 Home인지 식별할 수 있습니다. 따라서 두 신호를 조합하면 Origin Sensor로 Machine의 기준영역을 찾고 그 주변에서 Encoder Index를 검출하여 정밀한 Home Position을 결정할 수 있습니다. Absolute Encoder를 사용하는 시스템에서는 매번 Homing하지 않을 수도 있지만 최초 Machine Coordinate 설정이나 Absolute Position 복구를 위해 Origin Sensor가 사용될 수 있습니다.

Origin Sensor 설치와 설정에서 무엇을 확인해야 할까?

Origin Sensor는 Homing 중 Axis가 안전하게 접근할 수 있는 위치에 설치해야 하며 Mechanical End와 너무 가까우면 Sensor를 찾지 못했을 때 충돌위험이 커질 수 있습니다. Target의 길이와 Sensor Detection Distance는 Homing Speed와 Deceleration Distance를 고려하여 결정해야 합니다. PLC 또는 Motion Controller에서는 NPN·PNP Output, NO·NC Logic과 Input Response Time을 확인해야 하며 Sensor Signal에 과도한 Input Filter를 적용하면 고속 Homing에서 검출위치가 달라질 수 있습니다. 또한 Cable Noise로 인해 잘못된 Origin Signal이 발생하지 않도록 배선과 Shielding도 고려해야 합니다. Homing Direction과 Sensor Edge, Index Search Direction 및 Home Offset Parameter 역시 실제 기계구조와 일치해야 합니다. Origin Sensor가 고장났을 때 Axis가 계속 이동하지 않도록 Homing Timeout과 Overtravel Limit 같은 Protection Logic을 구성하는 것도 중요합니다. 결국 Origin Sensor는 서보축의 기계적 기준영역을 검출하여 정확한 Machine Coordinate를 설정하도록 돕는 Position Control의 핵심 Reference Sensor입니다.