공압과 전기의 장점을 결합한 ‘하이브리드 모션 제어’ 해법
자동화 설비에서 모션 제어 기술은 생산성, 에너지 효율, 설비 유연성 등을 결정짓는 핵심 요소로 꼽힌다. 특히 최근에는 공압과 전기 기술을 결합한 하이브리드 모션 제어 시스템이 등장하면서 기존 기술의 한계를 보완하고 다양한 산업 공정에 적용되고 있다. 이 기사에서는 공압, 전기, 하이브리드 모션 제어 기술의 특징과 차이 점을 살펴보고, 자동화 시스템 설계 시 최적의 모션 제어 기술을 선택하기 위한 기준을 소개한다. 본 내용은 Emerson의 모션 제어 기술 백서를 바탕으로 정리했다.
▲ 공압과 전기 기술을 결합한 하이브리드 모션 제어 시스템은 각 기술의 장점을 활용해 자동화 설비의 성능과 유연성을 동시에 향상시킬 수 있다.
자동화 시스템 설계의 변화와 모션 제어 기술의 진화
엔지니어들은 그 어느 때보다 정교하고 세련된 자동화 시스템을 갖춘 기계를 설계하고 있다. 이러한 자동화 시스템은 생산 공정부터 창고 및 물류에 이르기까지 다양한 공장 자동화 애플리케이션의 성능을 향상시킨다.
예를 들어 첨단 자동화 시스템은 타이어 제조 라인의 정밀도를 높이고 자동차 생산 라인의 사이클 타임을 단축하며 패키징 라인의 유연성을 향상시킬 수 있다. 이러한 혁신을 가능하게 하는 핵심 요소가 바로 모션 제어 기술이다.
리니어 모션 제어 시스템을 설계할 때 OEM은 주로 공압, 전기, 유압 방식의 선형 액추에이터에 의존한다. 그러나 이들 기술이 지속적으로 발전하면서 자동화 시스템 설계 시 어떤 기술을 선택해야 할지 결정하는 과정은 점점 더 복잡해지고 있다.
과거에는 OEM이 자동화 시스템을 설계할 때 이 세 가지 기술 가운데 하나만 선택하는 경우가 일반적이었 다. 설계 과정에서는 애플리케이션 요구사항을 분석 하고 각 기술의 장점과 제공 가능한 이점을 비교한 뒤, 가장 중요한 요구사항을 충족하는 기술을 선택하는 방식으로 의사결정이 이루어졌다.
특히 공압과 전기 모션 제어 솔루션을 중심으로 보면두 기술의 장점은 일반적으로 명확하게 구분되는 것으로 인식된다. 공압 시스템은 견고하며 사용과 유지보 수가 비교적 쉽다는 장점이 있고, 전기 모션 시스템은 높은 정밀도와 빠른 응답성, 그리고 지능적인 제어 기능을 제공하는 것으로 알려져 있다.
그러나 실제로는 이러한 구분이 항상 명확한 것은 아니다. 적용되는 애플리케이션과 환경, 그리고 기계 구조에 따라 성능과 장점은 달라질 수 있기 때문이다. 또한 많은 경우 특정 기술만으로는 모든 요구사항을 완벽하게 충족하기 어렵다. 일부 핵심 요구사항은 다른 요구사항을 충족하기 위해 불가피하게 타협해야 하는 상황이 발생하기도 한다.
기계와 공정, 그리고 운영상의 우선순위가 변화함에 따라 모션 제어 기술 역시 지속적으로 발전해 왔다. 이제 OEM은 공압 또는 전기 기술 중 하나만을 선택해야 하는 상황에 머물지 않는다.
최근에는 하이브리드 자동화 시스템이 등장하면서 공압과 전기 기술의 장점을 결합한 모션 제어 시스템을 설계할 수 있게 되었다. 이를 통해 애플리케이션 성능을 극대화하면서 기존 기술 선택 과정에서 발생하던 타협을 최소 화할 수 있다.
이처럼 기술 혁신은 산업 자동화의 가능성을 크게 확장시키고 있지만, 동시에 시스템 사양 결정과 설계 과정은 더욱 복잡해지고 있다. 따라서 OEM이 최적의 선형 모션 제어 시스템을 설계하기 위해서는 애플리케이션의 우선순위와 핵심 설계 요소를 명확히 이해하는 것이 중요하다.
▲ 제조업체들은 오늘날 자사의 기계와 공장에 대해 더 높은 가시성과 제어 능력을 확보하 고자 한다. 이러한 통찰력은 지속가능성, 설비종합효율(OEE), 그리고 생산성 향상에 기여할 수 있다.
하이브리드 자동화 시스템의 등장
기계 설계 기술의 발전과 산업 환경의 변화는 제조 장비와 모션 제어 시스템의 구조를 크게 변화시키고 있다.
지속가능성과 경쟁 압력은 새로운 운영 과제를 만들어내고 있으 며, 디지털 전환과 진화하는 기계 설계는 생산 및 패키징 라인에 투입되는 장비에 더 높은 성능을 요구하고 있다. 기업이 경쟁력을 유지하기 위해서는 장비가 최대한의 성능을 발휘해야 하며 성능을 희생할 여지는 점점 줄어들고 있다.
이러한 변화 속에서 하이브리드 자동화 시스템이 등장했으며, 현재 그 활용도와 관심이 빠르게 증가하고 있다.
지속가능성은 오늘날 거의 모든 산업에서 중요한 과제다. 파리기 후협약은 지구 온난화를 1.5°C 이내로 제한하기 위한 글로벌 목표를 제시했으며, 이를 달성하기 위해서는 2050년까지 온실가스 배출을 지속적으로 줄여야 한다. 이에 따라 기업들은 탄소 중립 목표를 설정하고 에너지 소비와 탄소 배출을 줄이기 위한 다양한 전략을 추진하고 있다.
이러한 전략 가운데 하나가 에너지 효율이 높은 장비 도입이다. 따라서 OEM이 모션 제어 시스템을 설계할 때는 에너지 소비를 줄이고 재생에너지 활용이 가능한 구조를 고려하는 것이 중요하다.
오늘날 기업이 직면한 압력은 환경 문제에만 국한되지 않는다. 노동력 부족, 숙련 인력 격차, 공급망 문제 등은 기업의 경쟁력을 약화시키고 있으며 동시에 고객 수요는 더욱 다양해지고 있다. 이러한 환경에서 제조업체는 기계 다운타임을 최소화하고 생산성을 극대화해야 한다.
하이브리드 자동화 솔루션은 컨트롤러와 분석 소프트웨어와 연결되어 설비 운영에 대한 중요한 인사이트를 제공한다. 작업자는 이를 통해 잠재적인 문제를 조기에 감지하고 공정을 최적화할 수있으며, 그 결과 설비종합효율(OEE)과 생산성이 향상된다.
또한 센서와 스마트 장치가 공정 데이터를 실시간으로 수집하고 이를 분석 시스템과 클라우드로 전달하면서 제조 현장의 가시성과 제어 능력도 크게 향상되고 있다. 이러한 연결형 자동화 시스 템은 시스템 가동 시간을 높이고 에너지 사용을 최적화함으로써 생산성과 지속가능성을 동시에 개선한다.
또한 제조업체들은 컴팩트하면서도 고성능의 장비를 생산 라인에 도입해 동일한 공간에서 더 많은 기능을 수행하도록 하고 있다. 이러한 장비는 대부분 정교한 모션 제어 기술을 기반으로 한다. 정밀한 모션 제어는 불량과 폐기물을 줄이고 사이클 타임을 단축해 생산성을 높인다. 또한 위치 제어 유연성이 높아지면 작업 자는 수동 조정 대신 버튼 한 번으로 프로그램을 변경할 수 있다.
▲ 전기식 리니어 모션과 공압 흡착 그리퍼를 결합한 하이브리드 자동화 장치. 전기 모션은 정밀 위치 이동을 담당하고 공압 시스템은 제품 픽업과 고속 반복 작업을 수행한다.
공압 모션 제어(Pneumatic motion control)
견고한 동작 특성으로 잘 알려진 공압 솔루션(pneumaticsolutions)은 압축 공기나 질소와 같은 압축 가스의 힘을 이용해 기계적 메커니즘을 구동하여 모션을 생성한다.
대부분의 사람들이 공압 기반 선형 모션 제어를 떠올릴 때 가장 먼저 생각하는 것은 내부 피스톤이 장착된 실린더 구조이다. 이러한 이유로 공압 기술은 종종 메커니즘을 완전히 전진(extend)하거나 후퇴(retract)시키는 이산적(discrete) 동작만 가능한 기술로 인식되기도 한다.
과거에는 이러한 인식이 어느 정도 사실이었지만, 오늘날 공압 기술은 훨씬 더 발전했다. 다양한 공압 기술이 개발되면서 공압 시스템의 활용 범위와 기능은 크게 확대되고 있다. 첨단 공압 기술은 동작 범위를 확장하고 운영 상태에 대한 가시성과 인사이트를 제공하며, 보다 높은 수준의 제어 기능을 구현할 수 있다.
예를 들어 공압 시스템은 큰 힘을 생성할 수 있으며, 에어백과 같은 장치에 팽창력을 제공할 수 있고, 부품 세척을 위한 에어 제트를 생성하거나, 부품을 잡아 고정하는 그리퍼를 구동하는 데에도 사용된다. 또한 센서나 유량 제어 장치와 같은 공압 액세서리를 통해 다양한 데이터를 수집할 수 있다. 이러한 데이터는 작업자가 설비 상태를 지속적으로 모니터링하고 공정을 최적화하며 폐기 물을 줄이는 데 활용될 수 있다.
특히 차압 제어기(differential pressure controller)는 공압 기술의 활용 범위를 단순한 전진·후퇴 동작에서 연속적인 위치 제어 영역으로 확장시켰다. 이는 일정한 배압 상태에서 제어된 압력을 적용함으로써 구현된다. 작업자는 버튼이나 스위치를 사용해 수동으로 위치를 제어할 수도 있고, PLC를 통해 자동으로 제어할 수도 있다.
이러한 시스템은 일반적으로 소형 전기공압식 온/오프 솔레노이드 밸브나 위치 제어용 모듈레이팅 밸브를 구동하여 공압 장치를 가압하는 방식으로 작동한다. 또한 구동 장치에 위치 스위치 또는 센서를 추가하면, 컨트롤러에 폐루프 피드백 신호를 제공할 수 있다. 이를 통해 보다 정밀하고 안정적인 모션 제어가 가능해진다.
전기 모션 제어(Electrical Motion Control)
전기 모션은 일반적으로 전기 액추에이터, 모션 컨트롤러, 서보 드라이브, 모터, 그리고 피드백 센서로 구성된 폐루프 제어 시스템을 통해 구현된다. 이러한 서보 시스템은 전기 에너지를 회전 또는 선형 모션으로 변환해 정확한 위치 제어, 정밀한 각속도 제어, 그리고 다양한 가속도 프로파일을 구현할 수 있다.
일정한 속도로 회전하도록 설계된 일부 모터와 달리, 서보 시스템은 보다 다양한 모션 제어와 동기화 기능을 제공한다. 서보 드라이브는 모터와 연동되어 특정 동작을 수행하도록 전달되는 제어 신호를 기반으로 모터의 움직임을 정밀하게 제어한다. 이러한 특성 덕분에 서보 시스템은 로봇 팔이나 연속 회전 컨베이어와 같은 복잡한 애플리케이션에서도 효과적인 모션 제어를 구현할 수 있다.
또한 서보 모션 시스템이 엣지 컨트롤러나 PLC와 연결되면 더욱 고도화된 모션 제어와 동기화 기능을 수행할 수 있다. 여기에는 서브마이크론 수준의 반복 정밀도를 갖는 초정밀 위치 제어, 전자식 캠 제어(electronic camming), 그리고 전자 기어링 (electronic gearing)과 같은 기능이 포함된다. 이러한 기능은 가공 장비, 로봇, 제조 장비와 같은 고도의 정밀성과 복잡한 동작 제어가 요구되는 산업 애플리케이션에서 특히 유용하다.
기계식 캠 디스크를 이용한 포맷 변경 작업은 구조가 복잡하고 시간이 많이 소요되며 오류가 발생할 가능성도 높다.
반면 전기식 캠 디스크를 사용하는 경우에는 버튼 한 번만으로 기계 설정을 변경할 수 있어 작업 시간을 크게 단축할 수 있다. 또한 정확 도를 높이고 스크랩 발생을 줄이며 비용 절감에도 도움이 된다.
하이브리드 모션 제어(Hybrid motion control)
Emerson과 같은 모션 제어 기술 공급업체들은 공압, 전기 또는 하이브리드 모션 제어를 포함한 통합형 솔루션 패키지를 제공하고 있다.
예를 들어 Emerson의 Floor to Cloud 솔루션은 지능형 장치, 모션 제어, 머신 제어, 그리고 데이터 분석 기능을 하나의 플랫폼에서 통합적으로 제공한다. 기존에는 특정 애플리케이션에 대해 단일 기술만 선택해야 하는 경우가 많았지만, 전기·공압 기반의 하이브리드 자동화 시스템을 활용하면 OEM이 각 기능에 가장 적합한 기술을 선택적으로 적용할 수 있다.
많은 생산 및 패키징 라인은 서로 다른 OEM 장비로 구성되어 있으며, 제품은 이송 컨베이어와 축적 컨베 이어를 통해 여러 장비 사이를 이동한다. 이러한 생산 라인에서는 각 공정의 기능에 따라 서로 다른 기술이더 적합한 경우가 많다.
하이브리드 자동화 시스템은 이러한 환경에서 높은 유연성을 제공한다. 이를 통해 OEM은 다양한 제품을 생산할 수 있는 장비를 설계할 수 있으며, 제품 변경에 따른 셋업 시간을 최소화하고 시스템의 전체 수명 동안 변화하는 요구사항에 대응할 수 있다.
이러한 접근 방식은 제조업체가 직면한 주요 과제인 생산량 증가, 비용 절감, 생산 로트 축소, 설비 가용성 증가, 장비 수명 연장과 같은 요구사항을 충족하는 데중요한 역할을 한다.
또한 모션 제어 시스템의 전자적 재구성 기능을 활용 하면 작업자는 모션 프로파일을 빠르게 변경할 수 있다. 일부 시스템은 미래 확장 기능을 포함하고 있어 현재 장비에 적용하거나 향후 차세대 장비에서 활용할 수도 있다.
<표> 공압·전기·하이브리드 모션 제어 기술 비교
최적의 모션 제어 기술을 선택하는 방법
다양한 기술 옵션이 등장하면서 어떤 모션 제어 솔루션이 시스템에 가장 적합한지 판단하는 일은 점점 더어려워지고 있다. 그렇다면 언제 공압을 사용해야 하고 언제 전기식 모션 제어를 선택해야 하며, 또는 두기술을 함께 사용하는 것이 가장 효과적일까.
이를 결정하기 위해서는 애플리케이션의 다양한 조건과 요구사항을 종합적으로 고려해야 한다. 일부 애플 리케이션의 경우 어떤 기술이 적합한지 비교적 명확하다. 예를 들어 컨베이어 위의 박스를 정지시키거나 고정하거나 다른 방향으로 밀어내는 작업이라면 공압 실린더가 가장 적합한 선택이다. 반면 박스를 여러 라인 으로 이동시키거나 정밀한 위치 제어가 필요한 경우에는 다중 위치 제어가 가능한 전기식 액추에이터가 더적합하다.
하지만 애플리케이션이 이러한 단순한 사례보다 복잡하다면 하이브리드 모션 제어 솔루션이 더 효과적인 선택이 될 수 있다. 일반 적인 음료 패키징 라인을 살펴보면 스트레치 블로 몰딩, 충전 및 캡핑, 이송및 축적, 라벨링, 검사, 그리고 포장·팔레타이징·수축 포장과 같은 다양한 공정이 포함된다.
이 가운데 스트레치 블로 몰딩, 박스 접기, 접착제 도포와 같은 공정에는 공압 모션이 적합하다. 반면 컨베이어 시스템이나 충전 및 라벨링 장비에서 제품을 정밀하게 위치시키는 작업에는 서보 기반 전기 모션이 더욱 효과적이다.
또한 단순 이송 컨베이어나 팔레타이징 시스템의 경우에는 공압과 전기 모션을 함께 사용하는 방식이 효율적이다. 예를 들어 전기 모터는 컨베이어를 구동하고 공압 액추에이터는 제품 정지 장치나 게이트를 제어할 수 있다. 공압 시스템은 대량 케이스 핸들링을 담당하고 서보 모션은 보간 제어와 미세 위치 조정을 수행할 수 있다.
이처럼 하이브리드 모션 제어는 음료 병입 공정뿐 아니라 다양한 제조 애플 리케이션에서 활용될 수 있다. 예를 들어 충전 공정에서 공기를 밀봉하는 작업에서는 전기 기계식 실린더가 공압 커넥터를 통해 압축 공기를 사용할 수있으며, 조립 시스템에서는 전기식 다축 선형 시스템이 공압 그리퍼와 함께 사용될 수 있다. 또한 수직 방향으로 작동하는 전기 선형 축은 무게 보상을 위해 공압 실린더를 함께 활용할 수 있다.
결국 공압과 전기 모션 기술의 상호 보완적인 장점을 결합하는 크로스 기술 자동화는 OEM이 자동화 시스템의 성능을 극대화하고 고객 요구사항에 보다 효과적으로 대응할 수 있도록 한다.
자료제공: Emerson(www.emerson.com)
