Homing이란? 서보축 기준위치 찾는 원리

Homing이란 서보축이 전원 투입 후 기계의 기준위치를 찾아 좌표계를 설정하는 동작입니다. Origin Sensor와 Encoder Index를 이용해 원점을 결정하는 원리를 알아봅니다.

Homing이란 무엇이며 왜 필요할까?

Homing은 Servo Axis가 Machine의 기준위치인 Home 또는 Origin을 찾아 Position Coordinate의 기준을 설정하는 과정입니다. Servo Motor의 Encoder는 Motor의 회전량과 위치를 정밀하게 Feedback할 수 있지만 Incremental Encoder를 사용하는 시스템에서는 전원이 꺼지면 이전의 Absolute Machine Position을 직접 알 수 없는 경우가 많습니다. 전원을 다시 켰을 때 Encoder Count가 존재하더라도 실제 Table이나 Robot Axis가 Machine의 어느 위치에 있는지 Controller가 확실히 판단하지 못할 수 있습니다. 이 때문에 운전을 시작하기 전에 Axis를 미리 정해진 방향으로 이동시켜 Origin Sensor나 Limit Sensor를 검출하고 그 지점을 기준으로 Machine Coordinate를 설정합니다. 이를 Homing, Home Return, Origin Return 또는 Reference Return이라고 합니다. CNC, Pick and Place, Packaging Machine, Linear Stage 등 Position Control이 필요한 장비에서는 기준좌표가 정확해야 이후의 Absolute Position Command도 의미를 갖기 때문에 Homing은 자동운전 전 중요한 초기화 과정입니다.

Origin Sensor는 Homing에서 어떤 역할을 할까?

가장 일반적인 Homing 방식에서는 Linear Axis의 특정 위치에 Origin Sensor를 설치합니다. PLC 또는 Motion Controller가 Home Command를 실행하면 Servo Axis는 설정된 Homing Direction으로 이동하고 Sensor가 ON되는 위치를 탐색합니다. 센서에는 Inductive Proximity Sensor, Photoelectric Sensor, Mechanical Limit Switch 등이 사용될 수 있으며 설비구조와 필요한 Repeatability에 따라 선택합니다. 하지만 Sensor가 ON되는 순간을 그대로 최종 Origin으로 사용하면 Sensor의 Switching Point Repeatability와 Axis Speed에 따라 위치편차가 발생할 수 있습니다. 그래서 많은 Servo System에서는 Sensor를 빠른 속도로 찾은 뒤 감속하거나 Sensor Edge를 다시 탐색하고, 이후 Encoder의 Index Signal을 이용해 보다 정밀한 Reference Position을 결정합니다. 또한 Sensor가 일정한 폭의 Dog 또는 Cam을 검출하는 방식에서는 ON Edge와 OFF Edge 중 어떤 지점을 기준으로 사용할지도 Homing Mode에 따라 달라집니다. 따라서 Origin Sensor는 대략적인 기준영역을 찾고 Encoder가 더 정밀한 위치를 결정하도록 구성할 수 있습니다.

Encoder Index는 왜 정밀한 원점 설정에 사용할까?

Incremental Encoder에는 일반적으로 A·B Phase와 함께 Z Phase 또는 Index Pulse가 제공될 수 있습니다. A·B Signal은 Motor의 회전량과 방향을 검출하고 Z Signal은 보통 Encoder 1회전마다 특정한 기준위치를 알려주는 Reference Signal로 사용됩니다. Homing 과정에서 Origin Sensor만 이용하면 Sensor의 Repeatability와 Mechanical Mounting 상태가 최종 원점정밀도에 영향을 줍니다. 반면 Sensor를 먼저 검출하여 Origin 영역을 찾고 저속으로 이동하면서 Encoder Index를 검출하면 Motor Shaft 기준의 보다 반복성 높은 Reference Position을 얻을 수 있습니다. 다만 Index Signal의 위치는 Motor 1회전마다 반복되므로 Sensor 없이 Index만 찾으면 여러 회전 중 어느 위치가 Machine Home인지 구분하기 어려울 수 있습니다. 이 때문에 Origin Sensor와 Index를 조합하는 방식이 널리 사용됩니다. 실제 Homing Sequence와 Index Search Direction, Speed는 Servo Drive와 Motion Controller의 기능에 따라 다르므로 해당 제조사의 Homing Mode를 기준으로 설정해야 합니다.

Absolute Encoder를 사용하면 Homing이 필요 없을까?

Absolute Encoder는 각 Position에 고유한 Position Information을 제공하므로 전원이 꺼졌다가 다시 켜져도 Servo System이 Motor Position을 유지하거나 복원할 수 있습니다. Multi-turn Absolute Encoder를 사용하면 한 회전 내부의 위치뿐 아니라 여러 회전에 걸친 Position 정보까지 저장할 수 있어 매번 전원을 투입할 때 Homing을 수행하지 않는 시스템을 구성할 수 있습니다. 그러나 Absolute Encoder를 사용한다고 해서 모든 Machine에서 Homing 절차가 완전히 사라지는 것은 아닙니다. 최초 설치 시 Encoder Position과 Machine Coordinate 사이의 관계를 설정하는 Origin Setting 또는 Absolute Position Calibration이 필요할 수 있으며 Motor와 Load의 Mechanical Coupling이 분리되거나 Encoder Battery가 소진되고 Absolute Data가 손실된 경우에는 기준을 다시 설정해야 할 수 있습니다. 또한 안전확인이나 기계구조상의 이유로 Reference Sensor를 사용하는 장비도 있습니다. 따라서 Absolute Encoder는 Homing 빈도를 줄일 수 있지만 Machine Reference 자체가 불필요해지는 것은 아닙니다.

Homing 설정에서 어떤 항목을 확인해야 할까?

Homing을 안정적으로 수행하려면 Homing Direction, Search Speed, Creep 또는 Approach Speed, Sensor Logic, Index 사용 여부와 Home Offset 등을 정확하게 설정해야 합니다. Search Speed가 너무 높으면 Sensor를 검출한 뒤 감속하는 동안 Axis가 지나치게 이동할 수 있으며 Mechanical End에 가까운 Origin에서는 충돌위험이 커질 수 있습니다. 반대로 지나치게 낮으면 설비 초기화시간이 길어집니다. Home Offset을 사용하면 실제 Sensor 위치를 Machine Coordinate의 0으로 사용하지 않고 Sensor 검출 후 일정한 위치를 최종 Zero Point로 설정할 수 있습니다. Homing 중 Origin Sensor가 검출되지 않을 경우를 대비해 Overtravel Limit과 Software Limit도 적절하게 구성해야 합니다. Servo Brake가 있는 Vertical Axis에서는 Brake Release와 Load Drop 방지 Sequence 역시 중요합니다. 결국 Homing은 단순히 Sensor를 찾는 동작이 아니라 Encoder Feedback과 Sensor, Motion Sequence를 이용해 Servo Axis의 신뢰할 수 있는 Machine Coordinate를 설정하는 과정이며 이후 모든 Position Control의 기준이 됩니다.