전동 액추에이터 기반 정밀 디스펜싱 기술
자동차, 항공우주, 전기·전자, 재생에너지 산업에서는 접착 제와 실런트를 이용한 조립 공정이 점점 늘어나고 있다. 특히 접착 및 실링 공정에서 재료의 정량 공급은 제품 품질과 직결되는 핵심 요소다. 공압 방식 중심이었던 기존 디스펜싱 시스템을 대신해 전동 액추에이터 기반 정밀 계량 기술이 산업 현장에서 확산되고 있다.
본 기사에서는 독일 디스펜싱 장비 제조업체 Dopag가 개발한 정밀 디스펜싱 시스템 사례를 통해 전동 액추에이터 기반 계량 기술의 구조와 특징을 살펴본다.
<그림1> 다양한 재료 처리를 가능하게 하는 모듈형 디스펜싱 구조
접착 및 실링 공정에서 요구되는 정밀 계량 기술
접착제와 실런트는 자동차 차체 조립, 전자제품 밀봉, 풍력 터빈 구조물 결합 등 다양한 산업 공정에서 중요한 역할을 한다. 이러한 재료는 단순히 일정량을 토출하는 것만으로는 충분하지 않다. 공정에서는 정확한 정량 공급과 반복 가능한 도포 품질, 일정한 도포 패턴 유지, 그리고 생산 라인 속도와의 정밀한 동기화가 동시에 요구된다.
특히 자동화된 생산 라인에서는 재료 공급이 조금만 불안정해도 제품 품질 편차가 발생하거나 재작업이 증가할 수 있다. 이 때문에 정밀 계량 기술은 조립 공정의 품질을 결정하는 핵심 요소로 인식되고 있다.
최근에는 재료를 실제 적용 지점에서 직접 혼합하고 공급하는 방식이 도입되면서 공정 정밀도가 더욱 향상되고 있다. 이러한 방식은 단일 계량 챔버에서 여러 번의 소량 토출을 수행할 수 있어 반복 정밀도를 높이고 생산 사이클 시간을 줄이는 장점이 있다.
다양한 재료를 처리하기 위한 디스펜싱 시스템
독일의 디스펜싱 장비 제조업체 Dopag(Hilger & Kern Group)은 이러한 산업 요구에 대응하기 위해 두 가지 디스펜싱 시스템을 개발했다. 이 시스 템들은 저점도 재료부터 고점도 재료, 그리고 마모성이 있는 재료까지 다양한 매체를 처리할 수 있도록 설계됐다.
• Vectodis : 단일 성분 재료용 시스템
• Vectomix : 다성분 재료용 시스템
Vectodis 시스템은 단일 성분 재료를 처리하기 위한 장비로, 재료를 점 (dot) 또는 연속 비드(bead) 형태로 도포할 수 있다. 이러한 방식은 접착제 도포나 실링 작업 등 다양한 산업 공정에 활용된다.
Vectomix 시스템은 다성분 재료 처리를 위해 설계된 장비다. 이 시스템은 두 개의 Vectodis 장치를 동기화해 각각의 재료 유량을 독립적으로 제어하고, 혼합 블록에서 두 재료를 결합한 뒤 믹싱 튜브를 통해 토출한다.
이러한 구조는 정밀한 혼합 비율 제어와 안정적인 재료 공급, 공정 조건 변화에 대한 높은 유연성을 제공한다.
<그림2> Vectodis 단일 성분 디스펜싱 시스템
<그림3> Vectomix 다성분 디스펜싱 시스템
초기 설계 단계에서는 공압 액추에이터도 검토됐다. 공압 방식은 비용이 저렴하고 구조가 단순하다는 장점이 있지만, 정밀 계량 공정에서는 위치 제어 정밀도 부족과 응답 속도 제한, 공정 반복성 문제 등의 한계가 있다.
유압 액추에이터 역시 고려됐지만 유지보수 부담과 누유 가능성, 위치 정확도 문제로 인해 최종적으로 제외됐다. 이러한 이유로 개발팀은 전동 액추에이터 기반 시스템을 선택했다.
전동 액추에이터는 높은 위치 정밀도와 빠른 동적 응답, 우수한 반복 정밀도를 제공하며 누유가 없는 청정한 작동 환경을 구현할 수 있다. 특히 자동화 생산 환경에서는 이러한 특성이 공정 안정성 확보에 중요한 역할을 한다.
서보 모터와 롤러 스크루를 통합한 전동 액추에이터
이 시스템에는 Curtiss-Wright의 Exlar GSM 전동 액추에이터가 사용됐다. GSM 액추에이터는 하나의 컴팩트한 장치 안에 AC 서보 모터와 유성 롤러 스크루, 위치 피드백 장치 등 주요 구성 요소를 통합한 구조다.
유성 롤러 스크루는 일반 볼스크루에 비해 높은 하중을 처리할 수 있으며 긴수명과 높은 강성을 제공한다. 또한 서보 모터가 스크루와 직접 결합된 구조이기 때문에 높은 동적 응답 성능을 구현할 수 있다. 이러한 구조는 정밀 계량 공정에서 매우 중요한 역할을 한다. 액추에이터의 움직임이 곧재료 토출량을 결정하기 때문이다.
<그림4> Curtiss-Wright의 Exlar GSM 전동 액추에이터
로봇 자동화 공정과의 통합
디스펜싱 시스템은 산업용 로봇과 통합되어 사용될 수도 있다. 이 경우 GSM 액추에이터는 로봇 시스템의 7번째 축 (7th axis)으로 구성될 수 있으며, 로봇 제조사의 피드백 장치와 커넥터를 사용해 로봇 컨트롤러와 직접 연동된다.
이러한 구조를 통해 로봇 이동 속도와 재료 토출량을 정밀하게 동기화할 수 있으며, 복잡한 도포 경로 제어와 자동화 공정과의 완전한 통합이 가능해진다. 결과적으로 디스펜싱 시스템은 단순한 재료 공급 장치를 넘어 자동화 생산 공정의 핵심 모듈로 기능하게 된다.
실시간 제어 기반의 계량 시스템
디스펜싱 시스템은 계량 컴퓨터(metering computer)를 통해 제어된다. 운영자는 터치스크린 인터페이스를 통해 토출량, 토출 속도, 공정 프로파일 등의 공정 파라미터를 설정할 수 있다.
계량 컴퓨터는 설정된 값을 기반으로 전동 액추에이터의 이동을 계산해 정확한 재료 공급을 수행한다. 시스템 제어에는 CANopen 통신을 지원하는 Xenus 서보 컨트롤러가 사용된다. 데이터 통신은 Device Profile DS402 표준을 기반으로 실시간으로 이루어진다.
Vectomix 시스템에서는 두 개의 서보 컨트롤러가 동시에 동작하며 각 구성 재료의 유량을 정확하게 동기화한다. GSM 액추에이터는 폐루프 위치 제어 방식으로 작동 하며, 전류 제어·속도 제어·위치 제어 루프가 서보 컨트 롤러 내부에서 처리된다. 이러한 구조는 시스템 튜닝을 단순화하면서도 높은 제어 정밀도를 제공한다.
<그림5> 산업용 로봇에 장착된 Vectodis 디스펜싱 시스템
정밀 디스펜싱 시스템의 산업적 의미
전동 액추에이터 기반 디스펜싱 시스템은 기존 공압 방식과 비교해 여러 측면에서 공정 안정성을 높일 수 있는 장점을 제공한다. 가장 큰 특징은 폐루프 위치 제어 기반의 정밀 계량이 가능하다는 점이다.
전류 제어와 속도 제어, 위치 제어 루프가 서보 컨트롤러 내부에서 통합적으로 처리되기 때문에 재료 토출량을 매우 정밀하게 제어할 수 있다.
이러한 구조는 높은 동적 응답 성능을 제공하며 반복 정밀도를 크게 향상시킨다. 또한 저점도부터 고점도까지 다양한 재료는 물론 마모성이 있는 매체에도 적용할 수 있다는 점 역시 중요한 장점이다.
CANopen 기반의 제어 구조를 통해 시스템 파라미터를 유연하게 조정할 수 있으며 공정 상태 모니터링과 진단 기능도 지원된다. 이를 통해 생산 라인에서 발생할 수 있는 문제를 보다 빠르게 파악하고 대응할 수 있다.
협력 기반으로 완성된 통합 솔루션
이번 시스템 개발에서는 스위스의 자동화 솔루션 업체 Parkem AG의 엔지니어링 지원이 중요한 역할을 했다. Parkem은 다양한 구동 기술과 자동화 시스템 설계 경험을 바탕으로 디스펜싱 장비에 최적화된 드라이브 구성과 제어 시스템을 설계했다. 액추 에이터 및 드라이브 구성 선정, 전동 실린더 설계, 서보 컨트롤러 구성, 열해석 등 다양한 기술 지원이 이루어졌다.
Parkem과 Dopag의 긴밀한 협력은 시운전 기간을 단축하고 제어 파라미 터를 빠르게 최적화할 수 있도록 했다. 또한 장비 운영자를 위한 교육 프로그램도 함께 제공돼 실제 생산 환경에서 시스템을 안정적으로 운영할수 있는 기반을 마련했다.
전동 액추에이터 기반 디스펜싱 기술의 확산
산업 현장에서는 접착 및 실링 공정의 자동화 수준이 빠르게 높아지고 있다. 이에 따라 재료 공급 시스템 역시 단순한 토출 장치를 넘어 정밀 모션 제어 기술이 결합된 자동화 장비로 발전하고 있다.
전동 액추에이터 기반 디스펜싱 시스템은 이러한 변화 속에서 중요한 역할을 하고 있다. 높은 위치 제어 정밀도와 빠른 동적 응답 특성 덕분에 다양한 산업 공정에서 안정적인 재료 공급이 가능하기 때문이다.
특히 산업용 로봇과 결합된 자동화 디스펜싱 시스템은 생산 공정의 유연 성을 높이고 품질 안정성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다. 로봇과 디스 펜싱 시스템의 동기화 제어를 통해 복잡한 도포 패턴을 구현할 수 있으며 생산 라인의 자동화 수준을 한 단계 높일 수 있다.
향후 접착 및 실링 공정의 자동화가 더욱 확대됨에 따라 전동 액추에이터 기반 디스펜싱 기술의 활용 범위도 지속적으로 확대될 것으로 예상된다.
자료제공: Curtiss-Wright(actuation.curtisswright.com)
