제어반 없는 드라이브로 높인 포장기계 모듈성
포장기계는 짧은 전환 시간, 새로운 제품 포맷에 대한 유연한 대응, 소량 배치 생산 요구에 맞춰 더욱 컴팩트하고 모듈화된 구조를 필요로 하고 있다. 독일 포장기계 제조기업 Gerhard Schubert는 Bosch Rexroth와 함께 드라이브를 중앙 제어반이 아니라 기계 구조에 직접 통합하는 분산형 아키텍처를 발전시켰다. 이번 사례는 Bosch Rexroth의 ctrlX DRIVE cabinet-free를 적용해 포장기계의 모듈성, 통합성, 유연성을 높이고, 드라이브 설치공간과 배선 부담을 줄인 내용을 소개한다.
▲ Gerhard Schubert는 Bosch Rexroth의 ctrlX DRIVE cabinet-free를 적용해 포장기계 모듈의 구성과 확장 자유도를 높였다. (사진출처: Bosch Rexroth)
Challenge: 중앙 제어반 구조의 한계
현대 포장기계는 짧은 전환 시간, 새로운 포맷에 대한 유연한 대응, 점점 작아지는 배치 사이즈의 경제적 생산을 동시에 요구받고 있다. 동시에 장비를 더 컴팩트하게 설계하고, 설치 시간을 줄여야 한다는 압력도 커지고 있다.
기존 기계 아키텍처는 드라이브를 중앙 제어반에 설치하는 방식이 일반적이다. 그러나 중앙 제어반 중심 구조는 공간을 차지하고, 필요한 케이블 수를 늘리며, 모듈형 기계 설계를 어렵게 만들수 있다. Schubert는 이미 제어반을 줄인 포장기계 구조를 사용 해왔지만, 기계 아키텍처의 모듈성과 유연성을 더 높이기 위해 새로운 접근이 필요했다.
▲ Bosch Rexroth의 ctrlX DRIVE cabinet-free는 드라이브를 기계 구조에 직접 통합해 제어반 공간과 배선 부담을 줄이는 데 활용된다. (사진출처: Bosch Rexroth)
Solution: 드라이브를 기계 구조 안으로
Schubert와 Bosch Rexroth는 드라이브를 중앙 제어반에 모으는 대신, 기계 구조에 직접 통합하는 분산형 접근을 선택했다. 핵심 구성은 Bosch Rexroth의 ctrlX DRIVE cabinet-free 서보 드라이브 기술, ctrlX DRIVE 전원 공급 장치, MS2N·MS2S 시리즈 서보 모터다.
ctrlX DRIVE cabinet-free는 기존 제어반 없이 사용할 수 있는 IP65/IP67 등급 드라이브 시스템이다. 전원 공급, 통신, 구동 성능 요소는 하이브리드 DC 케이블로 묶어 연결한다. 이를 통해 케이블링 작업을 줄이고, 조립과 시운전을 단순화할 수 있다. 또한 단축 장치부터 2축 장치, 다양한 전력 등급까지 확장할 수 있어 각 기계의 전력 요구에 맞춰 드라이브 솔루션을 구성할 수 있다.
이 시스템은 Linear 구조뿐 아니라 Star, T형 토폴로지도 지원한다. 따라서 기계 모듈을 보다 유연하게 조합하고 확장할 수 있다. Schubert는 이를 통해 모듈 배열의 자유도를 높이고, 고객 요구에 맞춰 기계를 더욱 유연하게 구성할 수 있는 기반을 마련했다.
▲ Schubert F4 픽앤플레이스 로봇은 ctrlX DRIVE cabinet-free 적용으로 서보 드라 이브 볼륨을 46% 줄였다. (사진출처: Schubert Group)
Result: 로봇 드라이브 볼륨 46% 감소
새로운 캐비닛리스 드라이브 기술을 적용하면서 Schubert는 기계 프레임 안에 드라이브를 직접 통합할 수 있게 됐다. 특히 Schubert F4 픽앤플레이스 로봇에서는 서보 드라이브 볼륨이 46% 감소했다. 이는 캐비닛리스 드라이브 기술이 실제 장비의 설치공간 절감에 미치는 영향을 보여주는 구체적인 성과다.
에너지 구조도 개선됐다. 새로운 아키텍처에서는 드라이브가 공통 DC 버스로 연결된다. 이를 통해 한 축에서 발생한 제동 에너지를 다른 축에서 사용할 수 있으며, 각 기계 모듈이 개별 전원 공급 장치를 필요로 하던 기존 방식과 달리 장비 전체 차원에서 에너지를 균형 있게 사용할 수 있다. 조정된 DC 버스 전압은 전원 조건이 달라지는 상황에서도 일관된 기계 성능을 유지하는 데 기여한다.
유지보수 측면에서도 이점이 있다. ctrlX DRIVE cabinet-free는 SiC 전력반도체를 사용해 열 손실을 줄이고 높은 전력밀도를 제공한다. 이를 통해 외부 수냉 시스템을 제거할 수 있으며, 구성품 수와 유지보수 부담을 줄일 수 있다. 표준화된 인터페이스, 높은 접촉 보호 수준, 모터용 단일 케이블 기술도 설치와 진단, 서비스를 단순화하는 요소로 제시됐다.
Insight: 분산형 드라이브가 만든 모듈성
이번 사례는 포장기계의 모듈성이 기계 프레임이나 소프트웨어 만의 문제가 아니라, 드라이브와 전원, 통신 구조까지 포함하는 설계 과제임을 보여준다. 드라이브를 중앙 제어반에 모으는 방식은 익숙하지만, 장비가 복잡해지고 모듈 단위 확장이 중요해질수록 배선, 공간, 설치 시간의 부담이 커질 수 있다.
Schubert의 사례에서 ctrlX DRIVE cabinet-free는 드라이브를 기계 가까이에 배치하고, 하이브리드 DC 케이블과 유연한 토폴로 지를 통해 포장기계 모듈을 더 자유롭게 구성할 수 있도록 했다. 이는 짧은 전환 시간과 다양한 포맷 대응이 요구되는 포장 자동화 분야에서 분산형 모션 아키텍처가 중요한 설계 방향이 될 수 있음을 보여준다.
자료제공: Bosch Rexroth (www.boschrexroth.com)
