안내: 본 포스팅은 Qubic System의 공식 기술 문서를 바탕으로, 리니어 액추에이터의 개발 배경과 핵심 기술을 분석한 전문 번역 글입니다.

왜 우리는 직접 액추에이터를 개발했는가?

지난 몇 년 동안 시뮬레이션 및 홈 시뮬레이터 시장은 인기가 크게 증가했습니다. 특히 코로나바이러스 팬데믹으로 인해 실제 레이싱 이벤트에 대한 접근이 차단되면서 이러한 현상은 더욱 두드러졌습니다. 시뮬레이션 시장이 성장함에 따라 전문가용 시스템의 모션 솔루션을 개인용으로 전이하려는 개념이 등장했습니다. 그러나 홈 유저들의 기대치와 요구 사항은 전문가용과는 달랐기에 모션 플랫폼 엔지니어들에게 새로운 과제를 안겨주었습니다.

전문가용 모션 시뮬레이터에서는 높은 페이로드(적재 중량)와 넓은 가동 범위가 필수적이며, 전체 모션 시스템의 역동성과 정밀도 또한 매우 중요합니다. 반면, "작을수록 좋다(less is more)"는 철학이 지배하는 심 레이싱 세계에서는 몰입감, 작동 문화(운용 방식), 모듈성이 핵심입니다. 이를 하드웨어 측면에서 해석하면 높은 역동성, 전 속도 영역에서의 부드러운 움직임, 다양한 자유도(DOF) 시스템을 구축할 수 있는 가능성, 그리고 홈 유저에게 극도로 중요한 저소음이 뒷받침되어야 함을 의미합니다.

Motion Systems의 엔지니어들은 수많은 리니어 액추에이터를 분석하고 기계적으로 테스트했습니다. 수개월간의 테스트 과정에서 그들은 기존의 여러 인기 제품에서 성능상의 한계, 정밀도 부족, 움직임의 부드러움 저하, 서비스 수명(특히 진동 시) 문제, 그리고 과도한 소음 등을 발견했습니다. 우리는 타협의 여지가 없다고 판단했고, 결국 우리만의 독자적인 리니어 액추에이터를 개발하기로 결정했습니다.

진화 과정 전반에 걸쳐 우리는 완벽한 리니어 액추에이터를 위한 수많은 개념을 구상했습니다. 가장 유망한 개념들은 실제 프로토타입을 제작하여 테스트했으며, 그 과정에서 대부분의 프로토타입이 파괴되기도 했습니다. 이 과정에서 많은 실수가 있었지만 그 노력이 헛되지는 않았습니다. 이제 우리는 개발에만 4년 이상이 걸린, 세계에서 유일무이한 이 리니어 액추에이터를 선보이고 우리가 왜 이 제품을 자랑스러워하는지 설명할 수 있게 되었습니다.

우리의 프로젝트 기반은 전문가와 가정용 사용자 모두의 요구 사항을 충족하고 더 넓은 생태계의 일부가 될 수 있는 리니어 액추에이터 기술을 개발하는 것이었습니다. 요약하자면, 대형 모션 시스템의 기술을 홈 솔루션으로 이전하고자 했습니다. 우리는 액추에이터의 설계에 집중함으로써 이를 달성했습니다. 또한, 당사의 독자적인 전자 장치와 소프트웨어를 통해 원하는 움직임을 수행할 수 있도록 기계적 설계 구성 요소를 적절히 선택했습니다.

이제 Qubic System 리니어 액추에이터를 더 자세히 살펴보겠습니다. QS-220-PL 모션 시스템은 플러그 앤 플레이(Plug and Play) 솔루션에 대한 시장의 요구에 부응하는 제품입니다. 외관은 기하학적 범용성을 바탕으로 설계되었으며, 큐빅 형태의 모양 덕분에 시장에 출시된 대부분의 인기 있는 콕핏에 적응할 수 있습니다. QS-220-PL은 2축 시스템으로 시작되었지만, 2~6 자유도(DOF)를 가진 모션 시스템으로 구성할 수 있습니다.

QS-220-PL의 핵심 기술 분석

1. 모터 및 드라이브트레인 (Motor & Drivetrain)

현재 가장 뛰어난 동적 파라미터와 출력 밀도를 제공하는 드라이브는 영구 자석 동기 모터(PMSM)입니다. 이 모터는 전 회전 속도 범위에서 완전한 토크 제어를 보장할 뿐만 아니라, 모터의 관성 모멘트가 작고 과부하 견디는 능력이 높아 시스템 전체의 높은 가속도를 달성하는 데 직접적으로 기여합니다. 반면, 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 가장 효율적이고 보편적인 시스템은 볼 스크류와 너트의 조합이며, 이는 부드러운 움직임과 높은 위치 정밀도를 보장합니다. 이러한 요소들과 전용 제어 시스템의 결합을 통해 QS-220-PL 모션 플랫폼의 부드럽고 역동적인 작동이 가능해졌습니다.

2. 혁신적인 피스톤 로드 가이드 (Piston Rod Guide)

표준적인 액추에이터 피스톤 로드 가이드 시스템은 플라스틱, 주철 또는 비철금속으로 만들어진 슬립 링을 기반으로 설계됩니다. 이는 구조적 강성과 비교적 조용한 작동을 보장하지만, 슬라이딩 연결 방식은 다음과 같은 여러 현상에 노출됩니다:

• 스틱-슬립(stick-slip) 마찰 현상

• 가이드 링의 마모

• 피스톤 로드의 발열

전문가용 모션 솔루션에서는 적절한 첨가제가 포함된 오일로 시스템을 지속적으로 윤활하고 가이드 링에 이황화 몰리브덴(MoS2)이나 흑연(C) 같은 화합물을 추가하여 이 문제를 해결합니다. 시스템의 높은 강성 덕분에 개별 실린더에 극도로 불균등한 부하가 발생하는 극한의 장치 위치(예: PS-6TL-1500 모션 플랫폼)에도 안전하게 도달할 수 있습니다.

가정용 솔루션에서는 시스템의 오일 윤활이 어렵고 기계의 가동 범위가 상대적으로 훨씬 작기 때문에 대안적인 가이드 메커니즘이 개발되었습니다. 이 메커니즘은 마찰 현상을 최소화하려 애쓰는 대신, 마찰을 회전 운동으로 전환하여 이를 최대한 활용합니다. 이를 통해 스틱-슬립 현상과 피스톤 로드의 발열을 완전히 제거했으며, 극도로 낮은 소음 방출이라는 특징을 갖게 되었습니다. 이 시스템은 연결 강성은 다소 낮을 수 있으나, Qubic System 모션 플랫폼이 개발된 저중량 솔루션(500kg 미만)에서는 전체 시스템의 강성에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 이 솔루션의 품질과 성능은 테스트를 통해 입증 및 확인되었으며 특허를 받았습니다.

중력 보상 (GRAVITY COMPENSATION)

초저마찰 계수를 가진 이 액추에이터의 기계적 설계는 역동성과 성능, 매우 낮은 소음 및 부드러운 움직임으로 이어지며, 이는 결과적으로 최대 100Hz의 진동(햅틱 피드백) 전달을 가능하게 합니다.

추가 효과 – 햅틱 피드백

몰입감을 높이기 위해 사용되는 가장 일반적인 추가 콕핏 시스템은 다음과 같습니다:

• 플랫폼 모션 시스템

• 시트 무버

• 햅틱 시스템 기반의 버저

테스트 결과, 매우 높은 역동성을 가진 모션 시스템은 보조 기능으로서 진동 장치를 대체할 수 있는 것으로 나타났습니다. 작업자와 관련하여 액추에이터를 대칭적으로 배치함으로써 작업 공간의 모든 세그먼트에 충분한 진동 커버리지를 보장합니다. 그러나 최상의 효과는 특정 진폭-주파수 성분이 적절히 격리될 때만 달성될 수 있습니다. QS-220-PL 시스템의 경우, 적절한 댐핑 계수를 가진 전용 모터 플랜지와 커플러를 사용하여 이를 구현했습니다.

기계, 전자, 소프트웨어 측면 모두에서 생태계를 완벽하게 제어함으로써 귀하의 시뮬레이터에 적합한 모션 시스템을 선택할 수 있는 기회를 제공합니다. 또한, 이 시스템은 2개의 액추에이터 세트로 모션 시스템의 모험을 시작한 후 향후 추가 세트를 확장할 수 있는 옵션을 보장합니다. Qubic System 가족에 더 많은 솔루션이 추가될 예정임을 알려드리게 되어 기쁩니다.

수년간의 개발 끝에 우리는 설계 목표가 달성되었으며 특허로 그 결실을 보았다고 자신 있게 말할 수 있습니다.