고속 고정밀 서보시스템으로 고객의 니즈를 만족한다
고객의 다양한 니즈에 따른 유연한 제조 장비를 구성하기 위해서는 고정밀 구동 시스템을 가장 먼저 고려해야 한다. 제품의 품질향상과 시장 출시기간을 단축하고, 전반적인 제조 코스트를 낮추기 위한 업계의 노력을 구체화시킬 수 있는 솔루션으로 모션 컨트롤에 기반한 서보시스템의 최적화가 부각되고 있는 것이다.
먼저 서보란 무엇인가에 대해 알아보자.
서보(Servo)란 서보 메커니즘을 뜻하며, 어원 자체가 SERVANT(하인)에서 나온것으로 ‘주인의 명령에 충실한’이라는 의미를 가진다.
그러므로 서보시스템이란 ‘주인의 명령에 따라 충실하게 동작하는 모터 구동 시스템’을 가리킨다. 여기에서 동작이란 위치와 속도 및 가속도의 3요소로 구성되며, 일반적으로는 위치 제어와 속도 제어 애플리케이션 분야로 대별된다. 따라서 서보시스템은 상위로부터 명령을 받아 동작하고, 피드백 센서를 통해 고속 고정밀 컨트롤을 수행하는 모터 구동 시스템을 가리킨다고 볼 수 있다.
서보시스템은 크게 서보모터, 서보드라이브 및 피드백센서라는 3가지 요소로 구성된다. 초기에는 서보모터의 제조기술이 중요했지만, 최근들어서는 고정밀 구동시스템의 핵심사항이 되는 피드백 센서의 역할이 점차 부각되고 있다.
특히 피드백 센서인 엔코더에 대한 고급 기술이 무엇보다 중요시되고 있는 가운데, 일본과 독일 제품 중심에서 국내 엔코더 전문업체들의 영향력이 서서히 늘어가고 있는 중이다.
또한 모터, 드라이브, 엔코더는 물론 컨틀로러까지 일체화하는 경향이 나타나고 있으며, 이들을 토털 시스템으로 구성하여 공급하거나 일체화된 제품의 개발이 점차 늘어나고 있는 추세이다.
주요 적용 분야 서보시스템이 가장 많이 사용되는 산업분야는 공작기계분야로 제어부인 CNC와 구동부인 서보시스템이 통합적으로 전체 시스템을 구성하는 방식을 주로 취하고 있다. 또한 산업용 로봇 분야는 서보시스템의 총합체라고 할 수 있다. 일반적으로 2축~6축이 주류를 이루고 있으며, 2~3축의 저가 시스템을 제외한 대부분이 일본산 서보시스템으로 구성되고 있다.
공작기계 이외의 분야에서 가장 큰 서보시스템 시장을 형성하고 있는 분야로는 반도체 설비와 FPD 디스플레이 장비 분야가 최근들어 국내시장에서 부각되고 있다. 특히 디스플레이 장비 분야는 최근 2~3년간 급격한 시장 성장을 보이고 있는 분야로 대형 고속 고정밀도를 완벽하게 수행해야만 하는 시스템 특성에 의해 고정밀 서보 시스템의 최대 수요처로 각광받고 있는 중이다.
자동차 라인 분야에서도 서보시스템의 시장이 지속적인 성장을 보이고 있으며, 자동차 산업 분야는 고정밀 서보시스템을 확보한 공작기계 및 산업용 로봇 시스템이 적용되는 주요 수요처이기도 하다. 국내 자동차 라인용 공작기계는 대부분 일본 화낙제품이 대부분을 차지하고 있으며, 조립 및 용접용 6축 수직 다관절 로봇의 경우에도 대부분 자사의 서보시스템을 적용한 일본산 완제품이 주를 이루고 있다.
자동차 제조 라인용 6축 수직다관절 로봇을 국내에서 유일하게 생산하고 있는 현대중공업의 경우에도 서보시스템은 대부분 일본에 의지하고 있으며, 모션 컨트롤러만을 국산화하여 적용하는 단계에 머물고 있다. 한편 컨베어 밸트 및 자동창고와 같은 물류시스템에서의 팔레타이징 분야, 그리고 FPD 제조 장비에서의 팔레타이징과 대형 다축 로봇에서의 수요도 점차 확대되고 있다.
이 밖에도 식음료 및 제약산업에서 필수적인 포장시스템에서 다양한 서보시스템이 적용되고 있으며, 고속의 서보시스템 적용이 점차 증가하고 있는 중이다.
섬유기기 분야에서의 서보시스템 수요도 매우 큰 편이다. 섬유공장 하나에 수십~수백대의 기계가 설치되므로 서보시스템의 수요도 그 만큼 높다고 할 수 있다. 또한 섬유기기 분야에서는 서보시스템에 대한 수요량이 높은 만큼 저가형의 제품이 선호되고 있으며, 국산 제품이 많이 적용되는 특성을 보인다.
일반 산업용 기계를 위한 OEM 시장도 지속적인 성장세를 보이고 있는 중이다. 이 분야는 자동화 시스템의 구성이 단순기계로부터 고속 고정밀 기계에 이르기까지 매우 다양한 프리즘을 보이고 있어 OEM 업체가 요구로 하는 기능과 성능에 제품 특화된 서보시스템이 선호받고 있다. 특히 최근 수년에 거쳐 일반 기계에서의 모션 컨트롤에 요구가 급증하면서 지속적인 성장세와 새로운 적용 분야의 개척이 지속될 것으로 전망된다.
그러나 이들 제품은 동일한 사용의 기계가 지속적으로 유지되기 보다는 엔드유저의 요구와 적용하고자 하는 요소에 따라서 요구되는 서보시스템의 성능이 달라지기 때문에 그만큼 제품 개발과 자동화 시스템 구성에서의 많은 시간과 노력이 뛰따라야 한다는 어려움이 있다.
서보모터의 특성 서보 모터는 크게 DC 서보 모터와 AC 서보 모터로 구분되며, 특히 AC 서보 모터를 브러시리스 서보 모터(Brushless Servo Motor)라 한다. DC 서보 모터는 넓은 영역에 걸쳐 정밀한 속도와 위치 제어가 가능하다는 장점이 있지만, 정류자와 브러시의 마모에 따른 유지 보수가 필요하다. 때문에 최근에는 구조가 간단하면서도 견고한 AC 서보 모터를 통한 가변수 구동 시스템의 실용화가 추진되고 있다.
이는 전력용 반도체 소자를 사용한 정지형 주파수 변환기의 소형 고성능화, 그리고 마이크로프로세서 등과 같은 LSI 기술의 진보속에서 가능해졌다. 종래에는 기술이나 가격 면에서 문제가 되었던 AC 모터의 주파수 제어를 쉽게 행할 수 있게 되었기 때문이다. 브러시리스 서보 모터는 DC 모터의 정확한 제어와 AC 모터의 견고함을 동시에 겸비했으며, 정류자에 의한 전력손실이 없고 유지비가 거의 들지 않는다는 장점이 있다.
스테핑 모터는 저렴하고 피드백이 불필요하며 적용 범위가 넓은 것이 장점이다. 유지 보수가 거의 필요 없고, 애플리케이션에서의 사용도 쉽고 간편하다. 또한 위치를 펄스단위로 분해하여 지령펄스만큼 위치를 이동하지만 위치센서가 없어서 탈조가 발생할 경우 위치가 틀어지는 문제점을 내재하고 있다. 따라서 토크가 불안정하고 엄밀한 위치 제어가 불가능하다. 반면 서보 모터는 정교한 튜닝이 필요한 시스템에서 활용되는 등, 엄밀한 위치 제어가 가능하다는 점에서 스테핑 모터와 차별화된다.
현재 서보시스템은 용도에 따라 CNC 시스템 등에서는 큰 토크를 요구하는 AC 서보 모터가, 갠트리 시스템과 같은 소형 정밀 제어에는 DC 서보 모터가 사용된다. 서보시스템은 서보 모터의 회전속도와 위치를 컨트롤하기 위해 회전자의 회전속도와 위치에 대한 정보를 필요로 한다. 이러한 피드백 정보를 검출하기 위해 일반적으로 로터리 엔코더를 사용하는데, 엔코더는 앱솔루트형과 인크리멘탈형이 있으며, 앱솔루트형은 원판상에 절대위치정보를 적어높은 엔코더로써 절대위치 검출이 가능하고 인크리멘탈형에 비해 고가이다.
서보시스템 시장 동향 서보시스템은 모터 기술이 상당히 앞서 있는 일본 업체들의 세계 시장을 선점하고 있는 가운데, ABB, SIEMENS, Parker 등이 유럽 및 미주 지역에서 약간의 강세를 보이고 있다.
주요 일본 메이커로는 야스카와전기와 화낙이 각각 산업설비 분야와 공작기계 분야에서 양대 산맥을 형성하고 있는 가운데, 산요전기, 파나소닉, 미쓰비시, 오리엔탈모터, 다마카와 등이 주요 시장을 점유하고 있는 모습을 보이고 있다. 서보 드라이브 시장도 서보모터의 시장 성장과 함께 지속성장세를 유지하고 있다.
특히 기존의 CNC 및 로보틱스 분야에서 주요 시장을 형성했던데 비해 최근에는 범용 모션 컨트롤(General Motion Control) 시스템에서의 고성능 서보 드라이브 수요가 큰 증가세를 보이고 있다. 이는 모션 컨트롤 시스템이 전체 자동화 시스템의 부가적인 일부 기능에서 메인 시스템으로서의 지위를 얻고 있는 것과 맥을 같이 한다.
일본 서보모터 시장은 지난 98년도의 침체이후 다시 성장기조로 들어선 가운데, 지속적인 증가세를 유지해 왔다. 2002년 이후로 서보모터의 시장은 큰 폭의 성장세로 들어서, 지난 2년간 20~35%의 급격한 성장을 보였다.
그러나 올해들어서는 전년수준에서 다소 떨어지는 경향을 보이고 있다. 금액기준으로 볼 때 지난 2002년도에 총 959억엔의 시장이 2004년도에는 1,724억엔의 시장으로 큰 폭 성장을 이룩했으며, 수량기준으로도 2002년도 208만대에서 2004년도에는 347만대의 생산이 이루어졌다.
2005년도에는 10월까지의 통계에서 전년 동기보다 약간 수치가 못미치고 있는 가운데, 연말까지의 전망치를 합하더라도 약 310만대에 1,670억엔의 시장이 전망되고 있다. 여기서 주목되는 점은 과거에는 대수기준에 비해 금액기준 성장율이 낮게 유지되는 모습을 보였으나, 최근에는 대수기준치보다 금액기준치에 따른 성장세가 점차 높아지고 있는 것이다. 이는 서보모터의 전반적인 고급화와 고가격화가 주류로 이루어지고 있다는 것을 엿보게 하는 대목이다.
세계 서보 드라이브 시장은 연간 7%대의 안정적인 고성장 기조를 유지할 것으로 전망되고 있다. ARC 그룹에 따르면, 세계 서보 드라이브 시장은 고기능 제품을 원하는 OEM 시장의 성장세에 힘입어 2001년 20억 달러 규모에서 2006년도에는 29억 달러까지 성장할 것으로 분석되었다.
특히 CNC, 로보틱스, GMC 등 거의 대부분의 시장에서 고기능 서보모터와 서보 드라이브 수요가 지속적으로 늘어날 것으로 보았다. 국내 공급업체 현황 서보시스템 관련 국내시장은 일본 메이커의 독주가 이어지고 있는 가운데, 국산 개발업체들이 틈새 시장을 적극 공략해 나가고 있는 중이다.
국내 시장에 적극적인 주요 메이커로는 야스카와전기, 미쓰비시전기, 파나소닉, 산요, 오티스엘리베이터, 로크웰삼성오토메이션 등의 해외 메이커와 메트로닉스 등의 국내 개발 업체가 서보 시스템 시장 확보를 위한 노력을 경주하고 있다.
현재 미쓰비시전기와 야스카와전기가 국내 서보시스템 시장의 양대 산맥을 이루고 있는 가운데, 오티스, 파나소닉, 산요 등이 틈새시장을 중심으로 한 점유율 확대에 적극 나서고 있다. 서보 시스템의 국내 시장으로는 고공 성장세의 반도체 및 디스플레이 산업과 SMT 정밀전자 산업이 주류를 이루며, 자동차 공장의 자동화 라인을 위한 CNC 공작기계와 다관절 로봇 분야가 그 뒤를 잇고 있다.
미쓰비시전기는 자동차 공장 및 반도체, 디스플레이 장비 분야에서 강세를 보인다. 또한 각종 연구장비 분야에서도 메이커 인지도를 통한 많은 수요가 이어지고 있다.
현재 주력 제품은 ‘MELSERVO-J3 시리즈’이다. 야스카와전기는 전기전자 분야에서 강세를 보인다. 기존 삼성전자를 통한 기술제휴 과정에서 확보한 메이커 인지도를 통해 삼성전자 반도체 분야에서의 수요도 만만치 않다. 현재 ‘시그마3’가 주력 제품이며, 반도체와 정밀기계 및 로봇 분야 시장에 중점을 두고 있다.
또한 디스플레이 장비라인에서의 핸들링 로봇 시스템에서도 큰 강세를 보인다. 파나소닉과 산요는 국내에서의 인지도 확보에 주력하면서 각각‘MINAS E 시리즈’와 ‘SANMOTION’을 통해 자동차, 물류, 식음료 산업에서의 중저가 시스템 공략에 나서고 있다. 로크웰삼성오토메이션, 메트로닉스도 전기전자 및 OEM 분야에서 적극적인 시장 공략을 추진하면서, 디스플레이 장비 분야로의 시장진출도 꾀하고 있는 중이다.
또한 산업용 로봇 및 공작기계 분야에서는 일본 화낙이 대부분의 국내 시장을 점유하고 있다. 최신 기술 동향 최근들어 고속 고정도 서보시스템의 개발이 적극 추진되고 있는 가운데, 코깅 토코의 저감과 위치편자의 저감 및 고속 위치결정에 의한 택 타임의 향상이 눈에 뛰게 발전하고 있다. 또한 소형화와 내환경성이 중시되고 있으며, 고분해능 엔코더의 표준장착이 일반적이 경향이 되고 있다.
또한 SSC-net, SERCOS, 메카트로링크 등의 모션 네트워크 지원이 점차적으로 이루어지고 있으며, RS-232를 기본 통신 채널로 제공하면서 RS-485 및 USB 도 기본으로 제공하는 제품이 점차 늘어나고 있다. 특히 간단한 조정만으로 서보 특유의 복잡한 조정을 해결할 수 있는 오토 튜닝 기능이 더욱 향상되고 있으며, 오토튜닝만으로 전체 서보시스템 운전을 가능하도록 하는 기술지원이 가능해졌다.
온라인 오토튜닝 기능도 적극 채용되고 있는 가운데, 온라인상에서 게인 튜닝 및 관성 튜닝이 대부분 지원되고 있다. 더구나 오토튜닝에 따른 실시간 응답성이 지원되는 기종이 점차 확대되고 있는 가운데, 응답설정값의 조정만으로 진화한 튜닝 기능을 마무리할 수 있게 되었다. 사용자 편의성 측면에서 용량설정을 위한 자동 소프트웨어 및 셋업 소프트웨어의 기능이 향상되었다.
미쓰비시전기는 볼스크류, 랙&피니언, 롤피드, 회전테이블, 컨베어, 승강기 등의 기계구성 요소에 따라 기계의 제정수 및 운전 패턴을 설정하는 것만으로 최적의 서보모터와 드라이브를 회생옵션을 선정할 수 있도록 지원하는 용량설정프로그램을 기본으로 제공하고 있다.
이 시스템은 위치제어 보드 운전과 속도제어 모드 운전 등 2패턴에서 임의의 운전패턴을 설정할 수 있으며, 설정한 운전패턴의 그래프 표시도 지원한다. 또한 원통, 탈축각주, 변속, 직선운동, 매달림, 원추, 원추대 등에 따른 관성 모멘트에 대한 자동 계산도 지원한다.
셋업 프로그램은 PC를 이용하여 셋업, 조정, 모니터 표시, 진단, 파라미터의 기입과 읽기, 테스트 운전을 간단하게 할 수 있도록 있으며, 풍부한 테스트 운전 메뉴에 의해 PC로 간단히 서보모터 테스트 운전이 가능하다. 또한 서보 드라이브 일부 제품에서는 위치결정 기능과 시퀀스 기능을 제공하여 별도의 모션 컨트롤러나 PLC 없이도 간단한 제어 시스템 구축을 가능하게 하고 있다.
히다치 제품의 경우 고성능 모션 엔진을 채용하여 최대 32축의 모션제어와 64개의 동시실행 시퀀스 제어를 지원하며, PC의 PCI 슬롯에 위치결정 컨트롤러를 놓고 32대까지 서보시스템 동기제어가 가능하고 여기에 PLC를 추가할 경우에는 63대까지 서보 제어가 가능하다.
<웹사이트>
한국미쓰비시전기 www.mitsubishi-automation.co.kr 한국야스카와전기 www.yaskawa.co.kr 오티스엘리베이터 www.higenmotor.com 메트로닉스 www.metronix.co.kr 산요전기 www.sanyodenki.co.jp
