리니어 서보 모터와 TwinCAT으로 구현한 초정밀 3D 레이저 가공 시스템 혁신 사례
이탈리아 볼로냐의 자동화 전문기업 Bi.Lab Advanced Engineering (이하 Bi. Lab)이 개발한 최신 3D 레이저 가공센터는 초당 500개의 마이크로 드릴링, 12g 가속도, 수 마이크로미터 수준의 정밀도를 구현하며 고성능 레이저 가공 기술의 가능성을 극대화했다. 이 시스템은 리니어 서보모터와 레이저 펄스를 정밀하게 동기화하는 고난도 제어 기술이 핵심이며, 전체 자동화 플랫폼에는 Beckhoff의 PC 기반 제어 기술이 적용됐다.
다품종 특수장비에 최적화된 자동화 플랫폼 필요성
2002년 설립된 Bi.Lab은 레이저 기술, 자동 조립, 로봇, 머신비전 등다양한 분야의 기술력을 바탕으로 포장·섬유·자동차·의료·식품 산업을 위한 맞춤형 장비를 제작해 왔다. 설립 초기에는 고객사가 원하는 제어 플랫폼을 그대로 사용하는 방식이었지만, 프로젝트 복잡도가 증가하면서 다양한 기술을 하나의 통합 아키텍처로 처리할 수 있는 표준 자동화 플랫폼이 필요해졌다.
이를 위해 Bi.Lab은 벤치마킹 과정을 거쳐 Beckhoff의 PC 기반 제어를 전략적 파트너로 선택했다. Beckhoff 시스템은 개방형 구조를 바탕으로 타사 하드웨어·소프트웨어 통합이 용이하고, TwinCAT 엔지 니어링 플랫폼을 통해 모든 프로젝트에서 공통된 개발 환경을 제공한다. 덕분에 Bi.Lab은 다양한 고객 요구사항을 하나의 통합된 아키텍처로 대응할 수 있게 됐다.
▲ AL8000 리니어 모터 기반 갠트리 구동부. 12g 가속도에서도 레이저 포인트와 축 위치를 정밀하게 동기화한다.
▲ 초고속 AL8000 리니어 모터가 레이저 가공센터의 갠트리 축을 고정밀·고속으로 구동한다.
고속 드릴링·절단용 레이저 가공센터 개발
최근 Bi.Lab은 자동차 산업 고객을 위해 파이프 절단 및 드릴링을 위한 초고속 3D 레이저 가공센터를 개발했다. 요구 조건은 다음과 같이 매우 까다로웠다.
• 가속도 3g 이상, 가공 영역 800 × 600 mm
• 레이저 포인트 위치 오차 허용치 0.01 mm 단위
• 고두께 소재에서도 내부 잔여물을 남기지 않는 ‘클린 가공’
프로토타입 제작 과정에서 Bi.Lab 엔지니어들은 고정밀 기구 설계 경험과 가상 프로토타이핑 기술을 활용해 구조 강성을 극대화했다. 그 결과, Beckhoff 기술과 결합된 첫 번째 프로토 타입은 보조축에서 무려 12g의 동적 성능을 달성했다.
Beckhoff 기술 구성: PC 기반 제어 + 리니어 모터
핵심 제어 장치는 다음과 같다.
• CX5140 Embedded PC (Intel Atom® 1.91 GHz 쿼드코어)
• AL8000 시리즈 리니어 서보 모터
• AX5206 2채널 서보 드라이브
• TwinCAT NC PTP / NC I 모션 제어
• EtherCAT 기반 고속 통신
• TwinSAFE 안전 기능
TwinCAT NC I는 G-code 기반 경로 제어를 제공하며, 리니어 모터의 동역학 특성을 고려한 정밀 보간(interpolation)을 수행한다. TwinCAT은 실시간으로 각 축의 질량·관성 데이터를 반영해 토크 및속도 지령치를 계산하고, EtherCAT을 통해 서보 드라이브에 주기적으로 전달한다. TwinSAFE는 전체 시스템의 안전 기능을 통합적으로 보증한다.
▲ 제어반에 탑재된 레이저 소스를 AL8000 리니어 서보모터와 정밀하게 동기화하고, AX5206 서보 드라이브(좌)와 CX5140 임베디드 PC(우)가 이를 지원함으로써 초당 최대 500개의 레이저 포인트를 구현하는 정밀 가공이 가능해졌다.
▲ 레이저 가공센터의 핵심 제어부를 담당하는 Beckhoff CX5140 임베디드 PC.
레이저와 드라이브 축의 정밀 동기화
이 레이저 가공센터의 가장 혁신적인 점은 드라이브 축의 움직임과 외부 레이저 펄스를 완벽히 동기화하는 기능이다. 이를 통해 지정된 패턴에 따라 초당 최대 500개의 마이크로홀을 정확한 위치에 형성할 수 있다. 비정형 패턴, 고속 스캔, 가변 공정 조건 등에도 즉각 대응할 수 있어 자동차, 전자, 의료 등고정밀 산업 분야에서 큰 경쟁력을 제공한다.
PC 기반 제어가 만든 초정밀 레이저 가공의 진화
Bi.Lab의 고속 레이저 가공센터는 Beckhoff PC 기반 제어 아키텍처의 개방성, 확장성, 고속성, 정밀성을 모두 활용한 대표적 성공 사례다. 리니어 서보모터와 TwinCAT의 정밀 동기화 기능을 기반으로, 기존 방식으로는 달성하기 어려웠던 정밀도와 속도를 동시에 확보했다. 이번 프로젝트는 Bi.Lab이 레이저 가공 장비 분야에서 새로운 기준을 제시했음을 보여주며, 향후 다양한 분야의 초정밀 가공 시스템 개발에도 동일한 아키 텍처가 활용될 것으로 기대된다.
초정밀 모션·레이저 동기화, 다른 산업으로의 확장
Bi.Lab의 3D 레이저 가공센터 사례는 자동차 산업을 넘어 다양한 정밀 가공 분야로 확장될 수 있는 가능성을 보여준다. 리니어 서보 모터와 PC 기반 제어를 활용한 고속·고정밀 동기화 기술은 금속 마이크로 가공, 의료용 임플란트 제조, 배터리 탭가공, 반도체 패키징 공정 등에서도 동일한 기술적 요구를 갖는다.
특히 다축 동기화 정밀도와 실시간 경로 보정이 중요한 공정 에서는 기존 기계식 구동이나 단순 CNC 기반 제어로는 한계가 뚜렷하다. 이러한 환경에서 TwinCAT 기반의 소프트웨어 정의 모션 제어는 공정 변경과 장비 확장에 유연하게 대응할수 있는 대안으로 평가된다.
이번 사례는 고속 레이저 가공 장비가 단순한 절단·드릴링 장비를 넘어, 정밀 모션 제어와 소프트웨어가 결합된 ‘지능형 가공 시스템’으로 진화하고 있음을 보여주는 대표적 사례로 볼수 있다.
자료제공: Beckhoff(www.beckhoff.com)
