자동차 제조산업 발전에 기여한 Electromechanical Actuators

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제조업체는 세계 시장에서 경쟁력을 유지하기 위해 생산량, 품질, 유연성을 높이는 새로운 프로세스와 기술을 지속적으로 찾아야 한다. 글로벌 경쟁에서 자동차 산업보다 주주가치를 향상시키는 데 필요한 시장 출시 주기 단축과 지속적인 비용 절감이 분명하게 나타난 곳은 없다. 자동차 제조 엔지니어 및 운영 관리자는 과제 해결을 위해 생산성과 품질 그리고 신뢰성의 점진적인 향상을 추구하면서, 생산의 모든 단계에서 프로세스 자동화를 면밀히 검토하고 있다. 최근 자동차 산업에서 초점을 맞춘 분야는 오래된 유체 동력(공압 및 유압) 액추에이터에서 깨끗하고 유연하며 효율적인 전자기계 액추에이터로 전환하는 것이다.

전자기계 액추에이터 - 린, 클린 및 그린

유체 동력 기술은 수십 년 동안 자동차 업계 전반에 걸쳐 입증된 사실상 표준(de-facto standard)이었다. 기술은 결과적으로 잘 이해되고 적용되며 많은 출처에서 쉽게 얻을 수 있다. 제조업체는 만성적인 누출(leaks)과 환경의 온도 및 습도 변화로 인한 빈번한 조정, 전반적인 유연성 및 정밀도의 한계로 인해 잠재적인 공정 개선 목표를 달성하지 못하고 있다. 이 기술은 수년 동안 크게 향상됐지만 여전히 고유의 성능 제한과 비효율 및 유지관리 문제가 남아 있다. 대조적으로 현대의 전기 기계식 액추에이터는 정밀하고 프로그래밍 가능한 서보제어 및 모터와 견고하고 신뢰성 있는 기계식 나사 메커니즘을 결합한다. 유체 역학의 소음이 많은 펌프 및 압축기(호스, 피팅, 밸브의 복잡한 스파이더 웹)가 없는 전자기계 시스템은 간단한 설치와 반복 가능 및 프로그래밍이 가능한 모션, 전체 에너지 소비감소, 그리고 유지보수가 필요 없는 긴 수명을 제공한다.

또한 기계식 스크루 기술의 진보는 유압 실린더에 근접한 힘 밀도를 부여한다. 이와 결합된 시스템의 장점은 ‘전기로 전환하자’는 강한 비즈니스 사례를 만들어 낸다.

자동차 제조용 애플리케이션 솔루션

유체 동력 액추에이터는 모든 자동차 제조 공정에서 보편적으로 사용된다. 각각은 전기 액추에이터로 바뀌어야 하는 잠재적인 후보다. 그러나 일부 애플리케이션에서 심각한 상태와 프로세스의 병목 현상이 더 많이 나타나고 있다. 전기 엑추에이터로 변환하면 다음 유형의 애플리케이션에서 가장 많은 이점과 최단 수익을 얻을 수 있다.

• 로봇 스폿 용접
• 어셈블리 프레싱
• 로봇 디스펜싱
• 클램핑 및 고정 장치

로봇 스폿 용접

자동차 프레임을 성형하기 위해 스탬핑 된 판금 부품을 결합하는 곳에 수백 개의 스폿 용접을 해야 한다. 이때 용접의 정밀도와 일관성이 높은 품질이 매우 중요하다. 용접의 양과 질이 요구되기 때문에 대부분의 자동차 제조업체는 스폿 용접 프로세스 자동화에 막대한 투자를 하고 있다. 로봇팔의 끝 부분에 장착된 스폿 용접 총은, 각 용접의 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 수동 용접 프로세스와 관련된 작업자의 위험을 없애준다. 전통적으로 공압 실린더는 용접 총을 작동시키고 용접 사이클 중에 지정된 양의 힘을 가하기 위해 사용됐다. 이 액추에이터는 상대적으로 저렴하고 설치하기 쉽다. 반면 공기의 압축성과 대기 온도 및 습도의 변화에 ​​따른 민감성은 일관성이 없고 용접 품질에 문제를 야기해 왔다. 또한 공압 시스템은 필연적인 누출을 수리하기 위해 빈번한 유지보수가 필요했으며, 모델 변경이 있을 때마다 조정해야 했다.

폼 팩터(form factor)와 유사한 패키지에서 전기 모터와 기계 스크루를 공압식 액추에이터에 통합하는 양상은, 로봇 스폿 용접에 중요한 진보이다. 결과적으로 통합된 전기 기계식 액추에이터는 총 클램핑 힘을 더 잘 제어하고 이로 인해 용접품질과 반복성을 크게 향상시킨다. 뿐만 아니라 자동차 모델 간의 푸시버튼 전환을 가능하게 하며, 공압 기반 솔루션에 필요한 많은 유지보수 및 수리를 없애준다.

어셈블리 프레싱

구성 요소 부품 및 전체 차량 제조는 수많은 프레스를 사용해 구성 요소를 형성하고 조립한다. 자동차 공간에서 고압 프레스를 위한 적용은 끝이 없다{축 베어링 설치, 트랜스미션 어셈블리, 스탬핑 및 성형 바디부품 및 하이드로 포밍(hydroforming) 시트 패널 등등}. 수년 동안 유압 프레스는 높은 힘 밀도로 인해 이러한 적용 분야를 주도해 왔다. 높은 힘의 용량은 한 번의 작업으로 더 많은 부품을 형성하거나 조립할 수 있게 해 제조업체의 처리량을 증가시킨다. 그러나 유압 기술에 한계가 있는 것은 아니지만, 유체 동력 시스템은 느리고 비효율적이며 복잡한 유체 처리 시스템과 상당한 유지보수가 필요하다. 새로운 전기 액추에이터 기술이 유압 장치의 힘 밀도에 접근함에 따라, 에너지 소비와 유지보수 요구사항 및 전체 시스템 비용을 줄이는 전기 솔루션으로 전환하는 공장 관리자가 많다.

유압 장치에서 전기 액추에이터로 전환하면 속도와 처리속도가 빨라지고 가동 중단 시간이 줄어들며 에너지 효율이 향상돼 비용이 절감된다. 최근 성공 사례는 주요 자동차 제조업체의 스티어링 휠 생산에 중점을 둔 Tier1(1차 공급업체)에서 찾을 수 있다. Tier1 공급업체는 몰드 프레스 공정에서 유압 액추에이터에서 전자기계 액추에이터로 변경해 거의 85%의 처리량을 향상시켰다. 자동차 분야에서 수많은 다른 중요한 애플리케이션에 사용할 수 있으므로 놀라운 개선 기회는 무한하다.

로봇 디스펜싱

자동차 산업에서 또 다른 일반적인 프로세스는 유체 디스펜싱이다. 적절한 개스킷 접착 또는 기계부품 윤활을 유지하기 위해 접착제와 밀봉제, 그리스 및 윤활제의 정밀 계량이 가장 중요하다. 전통적으로 공압 구동 액추에이터는 점성 유체를 펌핑했지만, 부품낙하와 과도하게 낭비된 유체로 인해 설계자는 정밀한 흐름 제어가 자동차 제조 분야에서 많은 이점을 제공한다는 사실을 깨닫고 있다. 분배 및 계량기 제조업체들이 스스로와 고객이 필요로 하는 품질을 달성하기 위해 전자기계 액추에이터 솔루션으로 전환하고 있다. 서보로 제어하는 액추에이터에 통합된 위치 피드백 제어를 사용하면 체적 유량은 디스펜스 헤드의 위치에 따라 최적화된다.

자동차 제조업체는 정밀 계량을 통해 견고한 품질관리를 달성하고 고비용 유체를 과다하게 분배하지 않아 비용을 최소화할 수 있다. 이런 근거들로 디스펜싱 시스템 제조업체가 ‘왜’ 전기 엑추에이터 솔루션으로 전환하고 있는지를 쉽게 알 수 있다. 결과적으로 제조업체와 고객 모두에게 윈-윈 결과를 가져온다.

클램핑 및 고정

자동차 보디 숍에는 수천 개의 자동 클램프가 있다. 디스펜싱 시스템과 마찬가지로 공압식 액추에이터가 대부분의 클램프를 작동시킨다. 이를 통해 빠른 작동의 클램핑 및 고정 작업은 가능하지만, 자동차 제조업체가 생산 라인에서 요구하는 제어 및 유연성 면에선 부족하다. 유연성을 높이고 제어 총비용을 관리하려는 갈망에서, ‘프로그램밍 가능성과 최소한의 유지보수’는 클램핑 및 픽스쳐 시스템의 공정 요구사항의 최상위에 있다. 라인 당 차량 믹스가 증가함에 따라 전동 액추에이터가 클램핑 애플리케이션에서 매우 효과적임이 입증됐다.

클램핑 메커니즘의 속도와 힘을 프로그래밍함으로써 라인 빌더(line builder)는 범용 생산 라인을 개발해 동일한 라인에서 수많은 차량 모델을 구축할 수 있다. 전기 작동식 클램프는 라인 전환을 위해 쉽게 프로그래밍할 수 있다. 공압 클램프와는 달리 전동 클램프는 가속 및 감속률을 제어한다. 클램프를 제 위치로 이동하는 데 필요한 빠른 이동 모드와 툴링이 생산부품에 충돌하는 것을 방지하는 느린 클램핑 모드가 가능하다. 전기 솔루션을 라인에 도입함으로써 제조업체는 일관된 품질의 부품 및 라인의 유연성을 활용해 처리량을 높이고 총비용을 절감한다. 위 표에는 전기 기계식 액추에이터의 장점을 활용해 이익을 얻는 몇 가지 추가 프로세스 및 애플리케이션이 나와 있다.

결론

기술 경쟁에서, 앞서 나가고 변화를 수용하는 것이 경쟁 우위를 유지하는 데 중요하다. 고객의 제공과 품질 및 비용 기대치를 충족하는 핵심 요소는 전자기계 구동에 의해 제공되는 이점을 최대한 활용하는 애플리케이션을 식별하고 우선순위를 매기는 것이다. 기존의 유체 동력과 비교해 오늘날 전기식 액추에이터 솔루션을 구현하면 유지보수 비용이 절감된다. 또한, 관련된 휴지 시간과 우수한 프로세스 제어 및 낮은 에너지 소비 그리고 궁극적으로는 비용 절감이 가능해진다.

자료 제공 : EXLAR(www.exlar.com)