최대 규모의 최신 포털 밀링 머신 상에서 최상의 정밀 머시닝을 실현하기 위해 DMG는 REDEX 드라이브 선택: 제로-백래시의 랙&피니언(Rack & Pinion) 드라이브 및 스핀들 드라이브

차체 부품을 위한 금형이나 스탬핑처럼 큰 대형의 정밀한 제품을 가공할 경우에는 최고의 정밀도가 요구된다. 선박용 디젤 엔진 하우징을 위한 머시닝 요건 또한 이처럼 매우 까다롭다. 가공 부품의 무게는 수 톤에 이르며, 일반적으로 길이는 수 미터에 달하지만, 마이크로미터 단위의 제어가 필요하다.

 

대형 컴포넌트의 정밀 머시닝

DMG는 이러한 정확한 목표에 따라 DMU P-시리즈 포털 밀링 머신을 개발했다. 이 시리즈에서 가장 큰 모델인 DMU 600P(그림 1)은 특별히 XXL 규격의 정밀, 고속 머시닝을 위해 설계되었으며, 6000 x 4200 x 1500 mm(X/Y/Z‐축) 및 W-축 최고 2000mm의 최대 이동거리에서 고정밀 밀링 및 선삭 가공(Turning Operations)을 수행한다. 대략적인 부품의 무게는 최고 40톤에 이른다. 동시에 DMU 600P는 단일 설정으로 5-축 선삭 및 밀링을 위해 설계되었기 때문에 최고 속도 및 최고의 유연성을 보장한다.

긴 이동 거리와 고정밀 실현

DMG 디자이너에게 가장 큰 도전과제 중 하나는 이러한 긴 구동 거리에서도 하이 레벨의 머시닝 정밀도를 보장하는 것이었다.(그림 2)

 

선형 드라이브가 여기에서 중심 역할을 수행한다. 독일 프론텐에 있는 DMG의 프로젝트 매니저인 플로리안 가르바스키(Florian Garbarsky)는 “이 드라이브는 수천 시간 이상 운영되는 동안 일관된 정밀도와 제로-백래시, 그리고 60kw의 모터 스핀들과 직결하여 사용할 수 있는 강한 힘을 갖추고 있어야 한다.”라고 말했다.

 

그림에서 보면, 6미터 이상의 이동거리에서 최고 ±0,0075mm의 정밀도와 최고 3m/s2의 가속도를 달성했다. 따라서 완벽한 머신을 디자인하기 위해서는 최고 레벨의 정밀도와 강성, 그리고 낮은 발열특성이 전제 되어야 한다. 이러한 긴 구동거리와 정밀도를 얻기 위하여 볼스크류는 검토대상이 되지 못했다.

 

랙&피니언 드라이브

강성 레벨을 보장하기 위해 DMG 디자이너들은 적합한 드라이브 시스템 선정에 매우 심혈을 기울였다. 플리언 가르바스키는 “우리는 REDEX의 제로-백래시 랙&피니언(Rack & Pinion) 드라이브 사용을 결정하기 전에 광범위한 벤치마킹을 수행했다.”고 언급했다. C-축(스핀들 헤드의 회전축)에서조차 ‘TwinDrive’ 정밀 드라이브는 고정밀 모션 및 포지셔닝이 유지되었다. 또한 주목할 점은 W-포털 축의 2개의 수직 볼 스크류는 REDEX의 2개의 SRP2 서보-유성 감속기를 통해 동기화되었다는 것이다.

 

스핀들 드라이브

또한 높은 생산성과 낮은 속도에서 높은 토크 특성을 얻기 위해 REDEX의 RAM 시리즈인 수냉식 2단 변속 기어박스가 ‘인라인(Inline)’으로 탑재되었다.( RAM 내부의 스핀들과 드라이브 모터 사이)

 

X-축 및 Y-축: 제로-백래시 ‘TwinDrive’ 랙&피니언 드라이브

기계적 원리에 따르면, 기존의 랙&피니언 드라이브의 위치 정확도에 영향을 미치는 약간의 백래시가 항상 있었다. 하지만 이러한 한계는 REDEX의 TwinDrive 시스템에는 적용되지 않는다. REDEX는 100%의 제로-백래시 랙&피니언 드라이브를 구현하는 방법을 찾아냈다. 기본 원리는 전자적으로 동기화된 2개의 완벽한 드라이브를 병렬로 사용했다는 것이다.(모터+유성 감속기) 2개의 서보 모터 중 하나는 드라이브로 동작하고, 다른 하나는 브레이크로 동작하기 때문에 2개의 피니언 및 랙 사이에서 일관된 프리로드가 가능하다. 이 솔루션은 백래시를 완벽하게 제거하고 최고의 정밀 모션 및 포지셔닝을 제공한다. 이러한 원리를 통해 DMU 600P의 6000mm 길이의 X-축은 물론 4200mm 길이의 Y-축과 C-회전 축에도 적용이 가능했던 것이다.

 

X-축에는 턴키 드라이브 솔루션인 DRP가 채택되었으며, 여기에는 2개의 서보 모터를 갖춘 2개의 유성기어 감속기가 포함되어 있다.(그림 3)

 

Y-축에는 머신의 Z-캐리지 좌우에 꼭 맞는 KRPX 유성 감속기를 사용하는 것이 더 나은 선택이었다. 그런 다음 DRP를 스핀들 회전축(C-축)에 다시 사용하였다. 이후 머신의 CN 전자제어를 통해 각각의 TwinDrive 시스템의 동기화 및 프리로드가 수행되었다.

 

견고한 선형 드라이브를 통해 높은 가속도 및 최대 정밀도 구현

드라이브의 제로-백래시 특성이 절대적으로 필요한 상황이라면, 최대 정밀도 및 최상의 표면 품질에 대한 요구 수준에 도달하는 것만으로는 충분하지 않다.

 

글로벌 강성만큼 중요한 것은 발열 관리 및 탁월한 구동정밀도는 REDEX 유성 기어박스가 가지고 있는 핵심 강점이다. 따라서 이 드라이브는 모든 방향에서 매우 견고하며, 뛰어난 위치 정확성과 표면 가공 및 안정성을 달성할 수 있다.  

 

이러한 기능을 보장하기 위해 기어박스와 잘 맞는 고강성의 베어링과 피니언을 직접 피니언 샤프트에 일체형으로 제작했다. 이 베어링 조립은 2개의 대형 테이퍼 롤러 베어링(Tapered Roller Bearing)으로 구성되었다. 기어박스 하우징 또한 매우 정밀하게 가공되었으며, 작업 방향에 상관없이 다양하게 사용할 수 있도록 최대한 견고하게 설계되었다.

 

이러한 설계는 안정적으로 매우 높은 토크를 보장하는 것은 물론 레이디얼 벤딩(Radial Bending)을 비롯한 모든 다른 방향에서도 최상의 강성을 유지하며, REDEX가 수행한 광범위한 테스트에 따르면 랙&피니언 애플리케이션에서 약 60%의 변형량(Total Distortion)을 달성했다.

 

이를 통해 벤딩이 급격히 감소했으며, 축의 고유 진동수는 매우 향상되었다. 또한 보다 높은 정밀도 요건에 부합하면서도 보다 높은 가속율과 더 무거운 물체 이동 등이 가능해졌다.

 

기술적 장점뿐만 아니라 경제적 효과 실현

마지막으로 언급할 점은, DMG를 위한 REDEX의 드라이브 컨셉은 기술적 측면뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 성공했다는 것이다.

 

기계제조업체에 의한 비용증가 조사에 따르면, REDEX는 자사의 랙&피니언 드라이브로 X-축 상에서 6m 이동거리 적용 시 다른 비슷한 정확도의 기술 솔루션들과는 비교할 수 없을 정도의 최적의 TCO*를 제공했다.

 

다측면적인 컨셉

다양한 REDEX의 제품 범주는 머신-툴 드라이브 애플리케이션에 특화되어 있으며, 엔지니어들이 요구하는 기술적인 수준과 상관없이 거의 제한없이 드라이브 라이브러리를 선택할 수 있다.

 

REDEX는 DMG가 전기적 동기화를 선택한 것처럼, 기계적 혹은 전기적 예압을 통해 여러 다양한 형태의 랙&피니언 컨셉을 제공한다. 다른 한편으로 이 시스템은 모든 종류의 범용 서보 모터와 기어박스/기어박스 조립체를 포함할 수 있다.

 

예를 들어, DMU 600P C-축(스핀들의 회전축)을 위해 DMG는 유니버설 하우징에 함께 탑재되어 있는 2개의 서보-유성 감속기가 결합된 TwinDrive와 DRP를 선택했으며, 이는 완벽한 턴키 드라이브 솔루션이다.

 

한 지붕아래의- 완벽한 메카트로닉스

DMU 600P 디자인을 간단히 살펴보면, ‘TwinDrive’ 랙&피니언 솔루션과 함께 REDEX가 제공하고 있는 머신 툴 제조업체를 위한 다른 많은 우수한 드라이브를 쉽게 확인할 수 있다.

 

컴팩트한 구조를 위해 2-speed 기어박스인 RAM시리즈를 기계의 메인 스핀들에 내장하고, 밀링헤드의 교환은 서보모타용 감속기인 SRP시리즈를 이용한다.

 

따라서 DMG는 이러한 고성능 머신 상의 모든 드라이브 축을 위해 동일한 공급업체를 선택함으로써 ‘한 지붕 아래 모든 것’이라는 원칙을 따랐다. 이는 거의 모든 엔지니어의 요구조건에 기술적 해답을 제공하는 REDEX의 광범위한 제품군 포트폴리오가 없었다면 불가능했을 것이다.

 

또한 DMG가 고려했던 또 다른 핵심 이슈는 디자인의 초기 단계에서부터 최종 시운전에 이르기까지 REDEX가 제공하는 포괄적인 지원이었다. 이는 특히 랙&피니언 드라이브를 처음 사용하는 경우 매우 중요하다. 여러 번의 산출 및 최적화, 설계 조언은 물론 작업장에서의 설정 지원을 통해 REDEX는 머신-툴 드라이브 사용에 대한 매우 뛰어난 지원을 제공할 수 있으며, 이를 통해 머신의 성공적 구현에 상당히 기여할 수 있다.

 

전 세계적인 성공을 거두었다! 플로리안 그라바스키는 마지막으로 “DMU P-시리즈 머신은 전세계에 출시되었으며, 대형 컴포넌트의 정밀하고 빠르고 가격 효율적인 머시닝을 필요로 하는 분야에서 막대한 수요가 일고 있다.”고 덧붙였다.

 

그림 캡션

그림 1. DMU 600 P ‐ 완성형

그림 2. DMU 600 P – 메인 축을 보여주는 구조

DMU 600P 5‐축 포털 밀링 머신은 정밀하고 유연한 대형 컴포넌트 머시닝을 위해 개발되었다.

그림 3. DMU 600P – X-축

DRP TwinDrive는 X-축 랙의 반대쪽 끝에서 확인할 수 있다.

그림 4. DRP TwinDrive

제로-백래시 TwinDrive 턴키 컨셉을 통해 X-축의 6m 이동거리에서 고정밀 포지셔닝을 달성할 수 있다.

그림 5. RAM 높은 토크

RAM 내부에 인라인으로 통합된 2단 변속 기어박스는 거친 절삭을 위한 저속의 높은 토크나 고품질 마감을 위한 고속의 저토크 작업이 가능하다.

 

그림 1, 2, 3은 DMG이고 3, 4는 REDEX.