기계의 고품질·고성능 실현을 위한 모션 시스템 선택 가이드
고객은 어떤 대가를 치르더라도 더 뛰어난 기계를 원한다. 20~30 년 전만 해도, 기계의 동작은 주로 유압, 공압, 기본 모터/드라이브 시스템으로 제어되었으며, 당시에는 정밀성과 성능보다 기계가 단순히 작동하는 것 자체가 더 중요하게 여겨졌다. 하지만 이제 상황은 완전히 달라졌다.
새로운 모션 제어 기술은 기계의 속도, 정밀도, 신뢰성을 크게 향상시키고 있으며, 더 빠른 포맷 전환과 최소한의 다운타임까지 가능하게 한다. 치열한 시장 경쟁 속에서 앞서 나가기 위해서는 기술 투자와 설계 시간 확보를 통해 더 뛰어난 기계를 더 빠르고, 더낮은 총비용으로 제공할 수 있어야 한다.
모션 제어 기술의 성공은 아래와 같은 상충하는 요소들 간의 균형을 얼마나 잘 잡느냐에 달려 있다.
• 부품 vs 시스템: 모터, 제어기, HMI 등 각각의 부품을 서로 다른 공급업체로부터 구매하고 자체 통합 설계를 진행할 것인 가? 아니면 하나의 공급업체가 전문적으로 설계한 모듈형 완성 시스템을 구매할 것인가?
• 성능 vs 단순성: 완성된 시스템을 구매하면 설계와 제작 과정은 훨씬 간소화되지만, 그 대신 기계 성능이 희생되는 것은 아닐까? 여러 공급업체의 최고급 부품들을 조합하는 것이 더 나은 성능을 제공하지는 않을까?
• 최적화된 성능 vs 충분한 수준: 기계를 가능한 최고의 수준으로 제작하고 싶다면, 더 저렴한 가격으로 충분히 작동하는 기계를 찾는 고객의 반대에 어떻게 대응할 것인가? 과연 최적화된 성능은 높은 초기 비용을 정당화할 만큼의 가치가 있는가? 그렇 다면, 이를 어떻게 고객에게 설득력 있게 설명할 수 있을까?
• 외주 설계 vs 사내 엔지니어링: 완성 시스템을 구매한다는 것은 곧 일부 엔지니어링 작업을 공급업체에 외주로 맡긴다는 의미다. 통합 엔지니어링과 기술 지원에 대해 프리미엄 비용을 지불할 것인가? 아니면 가변비용을 줄이고 고정비로 사내 인력을 유지하는 쪽이 나은가?
• 공정 전문성 vs 기계 엔지니어링: 사람에 대한 투자는 어떻게 할 것인가? 예를 들어 식품 가공 분야라면, 식품을 제조하는 팀, 포장하는 팀, 후처리하는 팀 등 공정별 전문 인력을 둘 것인가? 아니면 기계 설계와 통합 역량에 집중하고, 기계의 역량에 맞게 공정을 유연하게 조정하는 방식을 선택할 것인가?
• 비용 vs 성능: 대부분의 고객에게 비용은 최종 판단 기준이다. 당신은 기계 가격을 기반으로 경쟁할 것인가? 아니면 초기 비용은 다소 높더라도, 처리량, 신뢰성, 전체 설비 효율(OEE)을 높이는 솔루션을 제시하여 생산성, 정밀도, 유연성 향상을 통해 투자 회수를 실현하는 쪽을 선택할 것인가?
다양한 산업 분야에 적용되는 모션 제어 사례
Web Handling(웹 핸들링): 인쇄, 포장, 컨버팅 공정에 사용되는 미디어는 점점 더 다양해지고 있으며, 그만큼 섬세해지고 있다. 예를 들어, 친환경 소비자를 겨냥해 매립 부담을 줄이기 위한 생분해성 봉투의 사용이 증가하고 있다. 이처럼 연약한 소재는 기계에 공급될 때 늘어나거나 찢어지는 것을 방지하기 위해 아주 부드럽고 정밀하게 처리되어야 한다.
조금이라도 손상이 가면 소재 낭비와 함께 생산 중단이라는 이중 손실이 발생한다. 특히 고속 생산 환경에서는 웹의 움직임에 발생하는 미세한 편차를 실시간으로 감지하고 보정하는 능력이 더욱 중요해진다. 생산 속도가 빨라질수록 소재 손상 가능성과 그 영향은 기하급수적으로 커지기 때문이다.
Registration(정합): 고품질 인쇄와 포장을 위해서는 정확한 레지스트레이션(위치 정합)이 필수다. 분당 2000피트 이상의 속도로 이동하는 웹에서 레지스트레이션 마크를 정밀하게 감지하고, 이 지점을 기준으로 서보모터를 지속적으로 정확하게 위치시키는 것은 큰 도전이다. 정합이 틀리면 대량의 소재가 낭비되고, 이를 바로잡기 위한 시험 공정이 필요하다. 시험 공정이 짧을수록 소재 낭비도 줄고 비용도 낮아진다. 정밀한 모션 제어는 빠르고 안정적인 시험 공정을 가능하게 하며, 전체 생산 과정에서도 일관된 정합 정확도를 유지할 수 있도록 돕는다.
Wrapping(포장): 과거에는 냉동 육류처럼 형태가 일정하지 않은 제품에 구겨진 포장지나 비뚤어진 라벨이 붙어 있어도 소비자들이 어느 정도 받아들였지만, 이제는 그렇지 않다. 포장 상태가 불량하면 내용물 품질까지 낮다고 인식해 경쟁 제품으로 눈을 돌릴수 있다. 제품 크기와 모양이 지속적으로 달라지는 상황에서도 웹 장력을 일정하게 유지하고 고속으로 포장 품질을 유지하려면, 고정밀 모터와 기어 장치, 그리고 피드백 신호에 즉각적으로 반응할수 있는 충분한 대역폭의 제어 시스템이 필수적이다.
Flying Shears and Seals: 플라잉 시어, 펀칭, 씰링 등의 공정은 인쇄 공정과 유사하게 연속적으로 움직이는 소재의 위치에 맞춰 장비가 정확히 동작해야 한다. 이러한 공정은 축 간의 속도를 정밀하게 일치시키는 것은 물론, 미세한 편차도 감지해 제어 시스템이 실시간으로 보정할 수 있도록 높은 대역폭의 피드백이 필요하다. 만약 축 간 관성 불일치, 기계 전송 시스템의 백래시(뒤틀림), 제어 시스템의 대역폭 부족 등이 발생하면 제품 품질에 치명적인 영향을 미치고 폐기물도 늘어날 수 있다.
Incremental Motion(증분 모션): 시트 급지 방식의 인쇄기나 프레스기처럼 개별 부재를 처리하는 다양한 애플리케이션에서는 ‘인크리멘털 모션’, 즉 정지와 이동을 반복하는 제어 방식이 요구된다. 종이, 골판지, 철강판, 타일 등 개별 부재를 다루는 경우, 기계는 각 부품을 빠르게 가속해 목표 위치로 이동시킨 후, 정확하게 위치가 고정되도록 잠시 정지시키고, 공정을 수행한 뒤 다시 빠르게 다음 공정으로 이송해야 한다.
공정 간 이동 속도가 빨라 질수록 더 많은 부품에 가공을 적용할 수 있고, 이는 곧 생산성 향상으로 직결된다. 고정밀 모터와 드라이브, 그리고 고대역폭 제어 시스템을 조합하면 소재를 손상시키지 않으면서도 빠르고 부드 럽게 원하는 위치로 이동시킬 수 있다.
Medical Imaging(의료 영상): CT(컴퓨터 단층 촬영) 장비는 높은 관성을 지닌 부품을 정확하게 제어해야 한다. 시스템 내에서 속도 편차가 발생하면 영상에 블러(흐림 현상)가 생겨 진단 정확 도가 저하된다. 따라서 가장 부드럽고 안정적인 동작을 구현할 수있는 모터, 드라이브, 제어 시스템을 신중히 선택해야 한다. 또한 환자 편의성도 중요한 요소다. 저소음 모터는 검사 중 환자가 느끼는 불편함을 줄여주며, 전자기적 노이즈는 병원 내 민감한 의료 기기를 방해하지 않도록 최소화해야 한다.
모션 품질이 전체 공정에 미치는 영향
모션 제어를 개선하는 일은 결코 단순하지 않다. 단지 더 나은 부품을 구매하거나 정교한 제어 프로그램을 작성한다고 해서 최고의 성과를 기대할 수는 없다. 공정 장비의 성능을 ‘충분한 수준’에서 ‘세계 최고 수준’으로 끌어올리기 위해서는 기계공학 전반에 걸친 ‘토털 시스템 접근법’이 필요하다.
예를 들어, 단일 축의 모션을 최적화하려면 하중의 관성과 이동 범위에 적합한 모터를 선택하는 것에서부터 시작된다. 여기에 원하는 정밀도를 구현할 수 있는 드라이브와 기계 부품, 그리고 기계적 한계를 보정할 수 있는 고대역폭 고응답 제어기, 적절한 소프트웨어까지 모두 조화를 이루어야 한다. 이 모든 요소는 서로 긴밀히 연결되어 있다.
이러한 상호 연결성은 단일 축과 기계의 다른 구성 요소 간의 동기화를 맞출 때, 혹은 공장 전반의 여러 대의 장비를 연동하여 운영할 때 더욱 중요해진다. 목표는 최소한의 제품 전환 및 유지보수 시간으로 다양한 제품을 유연하게 생산하면서도 OEE(설비 종합 효율) 를 극대화하는 데 있다.
모션 품질이 향상되면 장비는 더 많은 작업을 처리할 수 있으며, 처리 속도는 높아지고 다운타임은 줄어든다. 또한 다양한 생산 조건에 유연하게 대응할 수 있는 장점도 따라온다. 앞서 논의한 바와 같이, 더 빠른 속도, 폐기물 감소, 유지보수 비용 절감은 모두 부품 수준에서의 우수한 모션 제어에서 비롯된다.
축 간 동기화(Coordinated Axes): 공장 내 여러 축이 정밀하게 협조하여 움직이는 것이 핵심이다. 이는 단순히 모터 하나를 제어하는 것이 아니라, 모든 축을 완벽하게 조율하는 ‘오케스트라’와 같다. 고속 통신, 정밀 제어 소프트웨어, 고대역폭 서보 드라이브가 필수다.
다이렉트 드라이브 기술(Direct Drive): 다이렉트 드라이브 기술은 기계적 기어를 제거하고 전자식 정밀 제어를 가능하게 하며, 유지 보수 비용을 줄이고 반복 정확도를 높인다. 관성이 낮은 설계로 고속화에 유리하며, 정밀한 모션이 필요한 애플리케이션에 적합하다.
▲ Cartridge Direct Drive Rotary™ (DDR) Motor Series
모션 제어가 가져오는 생산성 혁신
제품 유연성과 전환 시간 단축: 과거에는 제품을 바꾸기 위한 기계 전환(Changeover) 작업이 매우 번거롭고 시간이 오래 걸리는 일이었다. 전원을 모두 차단한 후, 공구를 사용해 각종 부품을 수동으로 조정해야 했으며, 이 과정은 수 시간이 걸릴 뿐 아니라 미세한 오차나 설정 오류가 발생할 위험도 컸다. 하지만 정밀한 모션 제어 기술을 적용하면 이러한 전환 작업을 대부분 자동화할 수있다.
그 결과, 전환 소요 시간을 수 시간에서 몇 분 수준으로 단축시킬 수 있으며, 작업의 정확성과 신뢰성도 높아진다. 자동화된 설정 및 전환 기능은 다양한 제품을 소량 다품종 방식으로 유연하게 생산할 수 있는 기반이 된다. 시장의 빠른 수요 변화에 능동적 으로 대응할 수 있는 경쟁력을 확보할 수 있는 것이다.
원피스 플로우(One-Piece Flow): 현재 대부분의 포장 기계는 다단식 구조로 운영된다. 예를 들어, 박스를 접는 기계는 한 번에 4 개, 6개, 혹은 8개의 박스를 병렬로 가공하는 식이다. 그러나 최근 일부 제조업체들은 한 번에 하나의 제품만을 처리하는 ‘원피스 플로우(One-Piece Flow)’ 방식으로 점차 전환하고 있다. 이 방식은 불량 제품을 빠르게 감지하고 수정할 수 있어 폐기물 발생을 줄여주며, 재고 관리 효율성과 기계 스케줄링 유연성도 크게 향상된다. 수요 증감에 따라 탄력적으로 대응할 수 있는 운영 체계가 가능해지는 것이다. 더불어, 기존 다단식 기계와 동일한 생산 속도를 낼 수 있다면, 기계를 하나 더 추가하는 것만으로 생산량은 두배로 늘고 공장 운영의 유연성도 크게 향상된다.
모듈화와 유연성: 많은 OEM 업체들은 기계에 모듈화(Modularity) 개념을 도입하고 있다. 모듈화를 통해 하나의 기계가 다양한 고객의 니즈에 맞게 손쉽게 맞춤화될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 어떤 고객은 포장 기계에 천공(perforation) 기능이 필요하지만, 다른 고객은 필요하지 않을 수 있다.
이때 컨트롤러 소프트웨어를 모듈 방식으로 구성하면, 해당 기능이 장착되어 있을 경우 자동으로 활성화되고, 장착되지 않았을 경우에는 비활성화되는 식으로 유연하게 대응할 수 있다. 모듈화는 고객의 용도 다변화도 쉽게 만들어 준다. 원재료를 가공하는 복잡한 축 구조와 완제품을 배출·적재·포 장하는 단순한 시스템이 모두 통합된 기계를 만들기보다는, 배출 (outfeed) 기능을 독립 모듈로 설계하고, 보조 제어 시스템을 메인 컨트롤러에 종속(slave)시키는 방식을 활용할 수 있다.
제조 공정 전반의 연결성: 모든 기계 구성 요소가 동일한 제어 아키텍처, 프로그래밍 환경, 통신 프로토콜을 사용하는 경우, 어떤 구성에서도 완벽하게 동기화된 모션과 유연한 모듈 설계를 갖춘 기계를 훨씬 쉽게 구축할 수 있다. 이 원칙은 개별 기계를 넘어서 공장 전체에 적용될 수 있으며, 결과적으로 모든 기계가 중앙 모니터링, 보고 및 제어 시스템과 실시간으로 연결될수 있다.
공장 전체의 생산성을 높이기 위해서는 생산 현장에서 수집된 정보를 가능한 한 많이, 가능한 한 빠르게 상위 시스템 으로 전달하는 것이 핵심이다. 이러한 정보에는 생산 상태, 처리 량, 이상 징후, 고장 진단 정보 등이 포함된다.
자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)
