자동차 산업을 위한 전자기계식 액츄에이터

용접건 애플리케이션을 위한 롤러 스크류액츄에이터

엑슬라(Exlar)의 전자식 롤러 스크류리니어액추에이터 및 로터리 서보 모터, 통합 제어 솔루션은 다양한 모션제어 애플리케이션에 사용되고 있다. 엑슬라의액추에이터 기술은 유압 또는 공압식 실린더를 대체할 수 있는 포스가50,000lbf를 초과하고, 초당 10인치가 넘는 리니어 속도를 갖춘 효율적인 전자기계식 솔루션을 제공한다.

리니어액추에이션은 공장 자동화의 핵심 기술이다.유체동력(유압 및 공압)과 마찬가지로, 전자기계식액추에이터는 포장, 식품, 에너지, 공정관리, 건설, 자동차 산업과 같은 일반적인 모든 산업분야에서 더욱 중요해지고 있다. 리니어액추에이터를 이용한 제조라인은 오늘날 산업 분야의 필수요소가 되었다. 하지만 공기압을 동력으로 하는 시스템뿐만 아니라 오일 기반 시스템은 비효율적인 요소들이 많고, 제어하기가 어렵다. 이러한 경우에는 전자기계식 방식을 심각하게 고려해야 한다. 다른 액추에이터 기술은 에너지 효율 및 시스템 제어방식, 기대수명, 공간제한 등을 기반으로 검토해야 한다.

3가지 액추에이터기술(유압, 공압, 전자기계식)을 비교하면, 전통적인 유체동력 대비 전자기계식 솔루션의 놀라운 혜택을 확인할 수 있다. 오늘날 자동차 산업의 로봇 용접건은 가장 일반적인 리니어액추에이터 애플리케이션으로 유체동력에서 전자기계식으로 전환되고 있다.

로봇 용접건


로봇은 전세계적으로 자동차 생산 설비에 방대하게 사용되고 있다. 로봇의 주요 애플리케이션은 차량의 섀시를성형하기 위한스탬핑 박판 부품의 스폿 용접(Spot Welding)이다. 수많은 차량 용접은 정확성과 일관성은 물론, 작업의 재연성이 필요하기 때문에 전자기계식 액추에이터가 최상의 솔루션이다. 용접건은로봇팔 끝에 장착되며, 차량 섀시 부품의 특정 위치에 도달할 수 있어야 한다.

로봇은 자체 전기 서보 모터로 항상 구동되지만, 용접건액추에이터는 낮은 취득 원가와 전반적인 단순성 때문에 공압 실린더로 구동되는 일반적으로 서보-공압액추에이터를 장착하고 있다.

갈수록 증가하는 생산 수요를 충족시키기 위해 자동차 산업의 자동화 엔지니어는 스폿 용접 성능을 향상시키는 전자기계식 액추에이션 솔루션을 점점 더 선호하고 있다.

일반적인 대안은 볼이나 롤러 스크류 기술에 기반한 전자기계식 액추에이터이다.

다른 접근방식의 전기 리니어액추에이션


볼 스크류는 상대적으로 생산이 간단한데다, 여러 제조업체들이 공급하고 있어 경제적이다. 볼 스크류는그라운드 또는 롤 타입의 나사봉(Threaded Rod)과 너트 포함 볼 베어링으로 구성된다. 볼트의 너트처럼, 봉을 따라 회전하는 너트는 리니어 모션이 유발된다. 높은 수명과 높은 속도, 낮은 잡음이 요구되는 경우에는 롤러 스크류나 롤러 스크류액추에이터가 적절한 선택이다. 롤러 스크류는 볼 스크류와 원리가 비슷하고, 나사봉을 따라 구동하는 너트를 가지고 있다. 하지만 볼 스크류의 볼과는 달리, 롤러 스크류 너트는 서로 맞물려있는 나사 롤러와 유성 기어박스와 같은 너트 하우징을 활용한다.


볼 스크류와 비교해 롤러 스크류는 3가지 장점이 있다.

1. 더 많은 접촉점을 가지고 있는데, 이는 마찰력이 더 큰 표면으로 확산될 수 있음을 의미한다.
2. 볼은 다른 방향으로 움직이는데, 스크류로 너트와 연결된 롤러는 서로 동기화되어 있다. 이를 통해 보다 높은 회전 및 리니어 속도를 낼 수 있다.
3. 볼 스크류에서 볼은 방향이 달라지는 채널을 따라가야 하는데, 롤러는 간단하게 롤러 스크류 주변에서 동기화된 모션으로 회전한다. 따라서 롤러 스크류에서 생성되는 진동과 잡음이 더 적다.
고유의 설계상의 장점 때문에, 롤러 스크류는 동급 볼 스크류 대비 5배에서 15배의 수명을 제공한다. 특정 부하에서 볼 스크류와 동급 사이즈의 롤러 스크류 간의 예상 이동 수명 비교는 다음 페이지의 그래프에 나타내었다.

오늘날공급되고있는대부분의전자기계식액추에이터는유연한커플링으로스크류와나란히장착되거나또는벨트와풀리,기계식기어로스크류와병렬로장착된별도의전기모터와패키지드스크류매커니즘으로구성된다. 볼스크류와마찬가지로, 외부모터와결합된액추에이터는제조가매우간단하고, 마켓에여러경쟁사들이활동하고있어상대적으로저렴하다. 하지만액추에이터에별도의컴포넌트처럼모터가추가되기때문에전반적인패키지사이즈는더크고, 중량도꽤높은편이다. 크고무거운액추에이터는더크고, 더고가의로봇이필요하다. 또한큰액추에이터와큰로봇의조합은전반적인시스템인테리어를증가시키기때문에사이클시간이더길어지고, 생산성도감소된다.

다음 개발 단계는 모터와 롤러 스크류를 하나의 장치에 통합하는 것이다. Exlar^® GS 롤러 스크류액추에이터는 단일 장치 안에 스크류 및 서보 모터의 매커니즘을 모두 겸비하고 있다. 이를 달성하기 위해 전통적인 롤러 스크류 설계를 역 설계로 변환했다. 롤러 스크류 너트는 서보 모터의 로터처럼 사용되는 그라운드 중공축(Hollow Shaft)으로동작하며, NIB(Neodymium Iron Boron) 자석 모양으로 결합되어 있다. 또한 모터가 액추에이터에 통합되어 더욱 작아진 패키지 사이즈는 더 적은 수의 컴포넌트만을 필요로 하기 때문에 안정성을 향상시키고 중량을 상당히 줄일 수 있다. 모터와 액추에이터가 직접 결합되어 있어 백래시를 제거할 수 있기 때문에 동작반응이 획기적으로 높아지고, 전반적인 성능도 향상된다. 세그먼트라미네이션(T-Lam) 고정자는 최소화된엔드-턴(End-Turn)과 180(H)절연등급을 가진 80% 슬롯 필(Slot Fill)로컴팩트하고, 효율적인 설계를 제공한다.

Exlar GS 버전 리니어액추에이터는스크류와 모터 간의 매커닉이 분리되어 있지 않다.
주요 장점은 다음과 같다:
1. 롤러 스크류의 수명
2. 서보 기반 모터의 정밀성
3. 제한된 컴포넌트로 통합된 솔루션의 컴팩트한 디자인

예상 수명
기대하는 것처럼, 높은 부하용량을 갖춘 롤러 스크류는 작업 수명이 주요 장점이다. 일반적으로 인치나 미터로 측정되는 롤러 및 볼 스크류의상대적 이동 수명은 그래프에 나타내었다. 2000lbf / 8900N 부하 애플리케이션에서 롤러 스크류가 서비스 수명이 15배 더 뛰어난 것을 확인할 수 있을 것이다.

포스재연성(Force Repeatability)
앞서언급한것처럼, 용접건애플리케이션은전체생산이행단계에걸쳐뛰어난포스재연성(Force Repeatability)을필요로한다. 포스재연성을유지하는것은시스템의낮은온도에서의시동(Cold Start) 이후예열(Warm-Up) 기간동안특히어려운문제가될수있다. 그래프에나타낸것처럼, 엑슬라액추에이터GSX40(일반적으로용접건에사용됨)의포스재연성은주변온도 40°C에서정격가압력의0.75% 또는 50N에이른다. 이는전체생산사이클에걸쳐일정하게안정된용접스폿을유지할수있도록해준다.

에너지 절감
독일 카셀 대학(University of Kassel)의 2011년 연구과제(환경친화적 제품과 공정)는엑슬라전자기계식 액추에이터와 동급의 공압 및 유압 솔루션의 성능을 비교하는 것이었다. 이 연구팀은 전자기계식 액추에이터를 사용했을 경우, 유체동력 대비 90%까지 에너지를 절감하는 것을 확인했다. 동일한 부하 및 듀티 사이클 조건하에서 동작하는 유압 액추에이터는 전자기계식 액추에이터보다 4.4배 더 많은 에너지를 필요로 하고, 공압 실린더는 믿기 어렵지만 10배나 많은 에너지를 소모했다.

이는 특정 테스트 파라미터와 조건을 고려한 단 하나의 연구사례라는 점을 주목할 필요는 있다. 하지만 한 쪽에는 호스, 튜브, 필터, 밸브, 건조기, 펌프와 같은 주변장치를 가지고 있고, 다른 쪽에는 네트워크 상의 누수가 나타나는 유체동력 시스템은 전자기계식 솔루션보다 훨씬 높은 에너지 소모량을 가지고 있다.

유압 및 공압 시스템의 중요성이 완전히 사라지는 것은 아니지만, 다만 경제성 및 에너지 관점에서 볼 때, 전자기계식 액추에이션이 여러 산업 분야에 적합한 더욱 뛰어난 대안이라는 점은 분명하다.

미래의 용접건 애플리케이션을 위한 전자기계식 액추에이터
전세계적으로 아직은 전자기계식 솔루션보다 서보-공압 기반 용접건이 더 많이 사용되고 있다. 하지만 자동차 산업과 같은 보수적인 산업분야에서도 새롭고 더 뛰어난 기술을 고려하기 시작하면서 앞으로 수년 안에 이러한 양상은 달라질 것으로 예상된다. 모듈식으로 설계된 엑슬라액추에이터는 마켓에 공급되는 거의 모든 서보 드라이브에 대한 피드백 신호를 제공하며, Kuka, Comau, ABB, Fanuc, Nachi, Motoman의 7축 로봇에 성공적으로 설치되었다.

엑슬라액추에이터는액추에이터에서 직접 용접 포스를 측정하는 통합 부하 셀과 통합 전기 제동장치와 같은 여러 추가 기능을 갖추고 있으면서도 마켓에서 가장 작은 액추에이터이다.

엑슬라가 제공하는 제품을 기반으로 자동차 마켓에서 변화를 현실화하고 있는 커티스-라이트코퍼레이션(Curtiss-Wright Corporation)은향후 수년 내에 엑슬라 브랜드 액추에이터의 가장 중요한 성장 마켓 중 하나로 자동차 시장을 꼽고 있다.

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