전기 기계 액츄에이터의 혁신 - 자동차 제조 공정의 품질과 생산성 향상에 기여한다

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프레스 작업은 복잡한 자동차 제조라인에서 없어서는 안 될 부분이다. 자동차 생산 과정에서 1단계 공급 업체는 베어링, 부싱, 기어 그리고 개스킷 등의 삽입 공정에 주로 프레스 작업을 한다.

높은 품질과 안전 표준을 유지하려면 각 작업을 반복 가능하며 정확도가 높게 수행해야 한다. 동시에 생산성 규제로 인해 가동 중지 시간을 최소화하면서 작업을 최대한 빠르고 효율적으로 완료해야 한다.

프레스 시스템에서는 성능과 비용 사이의 균형을 유지하기 위해 차량 바퀴 축에 베어링을 삽입하거나 프레임에 용접을 한다. 시스템을 위한 액추에이터 선택은 시스템 성능 뿐만 아니라 제조 시설의 총 비용 면에서도 중요하다.

엔지니어는 프레스 기계를 설계할 때, 액추에이터에 대해 많은 요소로부터 제약을 받는다. 성능, 수명, 패키지 크기 및 총 소유 비용 등이다. 각 요소는 모든 애플리케이션 분야에 중요하지만, 자동차 제조 분야에서는 최상의 처리량과 가동 중지시간이 가장 중요하다.

일반적 액추에이터 유형

액추에이터는 공압식, 유압식 그리고 전기기계식으로 세 가지 유형이 있다. 각 유형에는 장점과 단점이 있으며 이를 올바르게 적용하는 것이 모든 기계 제작자에게 중요하다.
먼저 공압 액추에이터는 압축 공기로 구동된다. 실린더 내 압력이 변함에 따라, 구동 피스톤은 압력에 비례하는 힘으로 움직인다. 이 장치의 주요 장점은 속도와 실린더 비용이다. 그러나 공기의 압축률이 높기 때문에 정확도가 낮고 속도를 제어하기가 어렵다.

유압 액츄에이터 디자인은 작동 유체가 오일이라는 점을 제외하면 공압과 유사하다. 비압축성 유체를 사용하면 유압에 고출력 밀도와 추가 에너지 없이 위치를 유지할 수 있다. 이 액추에이터는 공압식보다 내구성이 뛰어나고 정확도가 높다. 유압 장치의 주요 단점은 누출로 인한 환경적 위협과 상대적으로 느린 속도이다. 이러한 단점은 잠재적으로 안전하지 못한 작업 환경을 만들고 성능을 저하시키며 효율성을 떨어뜨릴 수 있다.

전기 기계식 액추에이터는 전기 모터를 사용하여 토크를 생성하고 롤러 또는 볼 스크류 메커니즘을 통해 선형 운동으로 변환된다. 이 접근 방식은 매우 정확하고 효율적인 작동을 제공한다. 대부분의 전기 기계식 액추에이터는 서보 모터에 연결되거나 서보 모터가 장치에 통합돼 있다. 폐루프 제어 기능이 제공되며 사용자가 액추에이터의 위치, 속도, 힘 그리고 가속도를 프로그래밍하여 정확하게 제어할 수 있다.

전기 기계식 액추에이터의 성능은 대부분 스크류 드라이브 유형에 따라 결정된다. 볼 스크류는 볼 베어링을 사용하여 스크류와 너트 사이의 하중을 전달한다. 비효율적이고 부정확한 공압 액추에이터를 대체한다. 간단한 볼 스크류 식은 콤프레셔 및 튜브와 같은 주변 장비, 유지 보수 비용 및 에너지 효율을 고려할 때 총 비용 면에서 공압식과 경쟁한다.

롤러 스크류는 유성 배열에서 나사형 헬리컬 롤러를 사용하므로 힘의 전달이 향상되고 수명이 연장된다. 프레스 기계 애플리케이션에서 롤러 스크류 액추에이터는 더 자주 유압 액추에이터를 대체한다. 롤러 스크류 액추에이터를 사용한 단축 구동은 유압식 단축구동과 전체 비용이 비슷하지만, 전기 기계식 액추에이터를 사용하면 에너지 및 유지 보수 비용이 절약되고 장비 수명을 연장할 수 있다.

액츄에이터 선택 요인

액츄에이터 유형 선택

자동차 제조 라인에서 생산용 프레스 시스템을 개발할 때, 기계 제작자는 처리량과 성능을 최대화하면서 비용을 최소화해야 한다. 기존의 유압식 액추에이터를 고집해온 엔지니어의 딜레마는, 각 생산 라인에서의 요구사항이 서로 다르고 궁극적으로 프레스 시스템에 대한 요구 사항도 서로 다르다는 것이다. 어떤 분야는 각 프로세스에는 서로 다른 모션 프로파일이 필요하며 액추에이터 시스템은 그에 따라 적응할 수 있어야 한다.

자동차 산업분야에서 또 다른 프레스 시스템의 예는 로봇 용접이다. 먼저 로봇은 용접할 자동차 프레임에 위치한다. 그런 다음 액추에이터는 용접할 두 부분을 용접 팁으로 닫는다. 프레스 작업은 용접 사이클 동안 사전 지정된 힘으로 부품을 클램핑 한다. 용접이 완료되면 로봇이 다음 용접 위치로 이동하기 위해 용접 팁을 빠르게 열어야 한다.

용접 프레스 모션 프로파일

프레스 사이클의 일반적인 모션 프로파일은 부품을 언로드 및 로드할 수 있게 프레스를 완전히 연 상태에서 시작한다. 그 후 액추에이터는 새로 로드된 부품을 위해 프레스를 빠르게 닫아야 한다. 이동 중에 관성과 속도가 주요 관심사이지만, 목표는 생산 효율성을 유지하기 위해 가능한 한 빨리 이동하는 것이다. 닫은 후에는 저속과 고출력 그리고 높은 정확도를 요구하는 프레스 작업을 수행해야 한다. 마지막으로, 프레스를 빠르게 열고 다음 부품을 로드해야 한다.

이러한 개별 프로파일을 사용하면 각 액추에이터 유형마다 장단점이 있다. 공압 액추에이터는 모션 프로파일의 고속과 정확도가 낮은 부분에 적합하지만 프레스 사이클에 충분한 힘을 생성하지는 못한다. 유압 액추에이터는 모션 프로파일의 고압력 프레스 세그먼트 동안 훌륭하게 작동하지만, 개방 및 폐쇄 사이클 동안 원하는 속도와 효율이 부족하다.

반면, 전기 기계식 액추에이터는 기존의 유압 액추에이터에 비해 독창적인 이점을 가지고 있다. 고속 프레스에 필요한 힘을 생성 할 수 있을 뿐만 아니라 고속 생산에 견딜 수 있을 만큼 빠르게 움직일 수 있다.

또한, 서보 모터를 전기 기계식 액추에이터와 세트로 연결함으로써 기계 제작 업체는 폐루프 제어의 이점을 활용할 수 있다. 이 모션 제어 방법은 높은 정확도와 반복성을 제공하여 보다 일관된 용접 이음매와 올바른 베어링 장착과 같은 우수한 품질 결과를 보여준다.

전기 기계식 액추에이터는 다양한 프레스 모드에 맞게 쉽게 프로그래밍 할 수 있다. 예를 들어, press-to-position 모드는 정확한 위치에 도달 할 때까지 제어기가 프레스 동작을 계속하도록 지시한다. press-to-force 모드를 사용하면 특정 힘이 피드백 될 때까지 제어기가 동작을 계속할 수 있다. 전기 기계식 액추에이터는 제조 요구 사항이 변경되거나 빠른 부품 교체가 필요한 경우 새로운 모션 프로파일로 신속하게 프로그래밍 할 수 있다.

액추에이터 선정

고출력, 고속 그리고 긴 수명을 조합하려면 선택한 액추에이터가 저렴한 비용으로 각 요구 사항을 충족시키기 위해서 특별한 평가 방법이 필요하다. 프레스 애플리케이션에서, 모션 프로파일은 일반적으로 짧고 강한 프레스와 고속 이동을 요구한다. 유압 액추에이터와 전기 기계 액추에이터의 속도 평가 기준은 다르다.

유압 액추에이터에서 속도는, 일반적으로 지정된 압력과 속도에서 이동 시간 또는 작동 시간에 따라 실린더가 제공한다. 실린더는 원하는 출력을 생성하고, 필요한 속도로 작동하며 프레스 작업에서 인정되는 수명으로 필요한 압력을 처리할 수 있어야 한다. 유압 액추에이터의 수명주기는 일반적으로 씰 및 스크레이퍼와 같은 실린더 구성 요소의 마모로 인해 제한된다. 결과적으로 이러한 액추에이터의 수명은 청결도와 같은 환경적 요인에 크게 좌우된다. 프레스 애플리케이션에서, 액추에이터는 백만 사이클 이상의 수명을 가질 수 있다.

유압 액추에이터와 달리 전기 기계 액추에이터 수명은, 롤러 베어링 산업에서는 공통적인 L10 수명 계산을 사용하여 추정된다. 이 평가 방법은 스크류식 액추에이터가 볼 베어링과 유사한 작동 방식을 갖기 때문에 활용할 수 있다(기구적 성질과 롤링 접촉). 정확한 계산은 아니지만 L10 계산은 기계 제작자에게 전기 액추에이터의 수명을 예상 할 수 있는 수단이다.
다른 기계 장치와 마찬가지로 수명 계산은 이론적인 것이며 모든 기계는 생산에 투입되기 전에 애플리케이션에서 테스트해야 한다.

업계 동향

자동차 산업은 차량 자체 뿐만 아니라 생산 방식에서도 지속성을 지향하고 있다. 대부분의 제조업체는 환경 친화적인 전기 시스템으로 향하고 있으며 유출이 쉬운 유압 시스템에서 멀어지고 있다.
바퀴 축 베어링 삽입과 같은 프레스 작업에서는 새로운 고성능 전기 솔루션을 사용할 수 있으므로, 자동차 제조업체는 지속 가능하고 환경 친화적인 제조에 대한 비전을 실현할 수 있다. 현재 북미 지역의 공장은 생산 효율성을 높이고 안전을 개선하며 유지 보수를 줄이기 위해 개조 중이다.

최근까지 유체 동력 액추에이터는 프레스 시스템에서 사실상 표준이었다. 즉 공압식 엑추에이터는 고속 및 저출력 응용 분야에, 그리고 유압식 엑추에이터는 저속 및 고출력의 응용 분야에 사용되어 왔다.

저출력 애플리케이션에서, 전기 솔루션으로 전환함에 따라 볼 스크류 액추에이터는 공압을 천천히 대체하고 있다. 고출력 애플리케이션에서는 전기 기계식 솔루션으로 변환 하는데 시간이 보다 더 오래 걸렸다. 이유는 유압식 액추에이터와 유사한 패키지 크기에서 경제적인 전기 기계식 솔루션을 현실화하기가 어려웠기 때문이다.

액추에이터 제조업체가 지속적으로 고성능 전기 기계 액추에이터를 혁신하고 새로이 개발하고 있으므로, 멀지 않아 자동차 제조업체는 모든 프레스 작업을 전기 시스템으로 완전히 전환할 것이다.

자료 제공: Exlar(www.exlar.com)