차세대 모션 시스템 선택을 기반으로 설계 변경없이 기계 성능을 향상하는 방법

KOLLMORGEN

새로운 기술이 산업 시장에 연속 진입함에 따라 엔지니어는 더 빠른 프로세서, 더 선명한 비전 시스템, 보다 정교한 통신 버스 등 혁신적이고 부가가치가 높은 제품을 생산하기 위해서 기계 성능을 개선하고 수명을 연장하는 방법을 연구한다. 하지만 제한된 자원을 가지고 있는 엔지니어링 팀에게 재설계는 어려울 수 있다.

기계 성능을 업그레이드 하기 위해서 제품 관리자는 다음의 질문을 해야 한다. ‘시장 요구에 맞추기 위해 얼마나 성능을 향상시켜야 하는가? 기존 설계를 조금만 수정해도 되는가? 또는 경쟁력을 유지하기 위해서는 완전히 재설계를 해야 하는가?’ 등이다.

이 질문들은 기계성능을 위한 핵심요소인 모션 제어 컴포넌트를 평가하는 것에서 시작된다. 기계를 업그레이드하든 완전히 재설계하든 성능은 서보 모터, 서보 드라이브, 케이블 및 컨트롤러 또는 PLC에 달려 있다. 최선의 방법을 결정하려면 모든 옵션과 그 상호작용 방식을 이해해야 한다.

대부분의 프로젝트는 성능 향상, 출시 시간 단축, 위험 및 비용 최소화, 최대 투자 수익 제공 등 비슷한 목표를 가지고 있다. 또한 대부분의 새로운 기술은 개별 구성요소 교체, 전체 모션 시스템 교체, 기계 부품 재설계 또는 전체 기계 재설계 등 동일한 옵션을 제공한다. 이러한 옵션은 시장, 기계, 예산, 기간 및 성능요구 사항에 비추어 평가해야 한다.

재설계 여부에 대한 결정을 내리는데 도움이 될 수 있도록 본문에서는 각 시나리오를 자세히 소개한다. 기계 재설계는 시간과 비용이 많이 드는 프로세스다. 그러나 중요한 새로운 기능을 제공해야 하거나 기존 디자인이 구식인 경우에는 대대적인 재설계가 필요하다. 모션 제어 시스템은 기계 성능의 핵심 요소이므로 재설계 프로젝트는 다음을 고려해야한다.

• Industry 4.0 요소를 포함한 제어 방법론
• 중앙 집중식 또는 분산 제어
• 단일 소스 대 여러 모션 벤더
• 기관 인증

전체 재설계를 위해서는 많은 시간을 들인 개발, 문서화 및 프로토타이핑이 필요하다. 고객 및 최종 사용자가 원하는 기능과 서비스를 수집하는 계획도 세워야 한다. 가능한 공급 업체와 제품이 원하는 모션 특성을 파악해야 한다. 선택의 결과를 철저히 테스트하고 문서화할 준비도 해야 한다.

전체 재설계는 시간이 길고 비용이 많이 드는 대안이다. 설계를 다시 처음부터 새로 할 때 프로세스 전체에 위험이 올 수 있다. 그러나 기능과 생산성 면에서 개선이 요구될 때. 전체 재설계가 유일한 선택일 수 있다.

부분적 재설계는 전체 재설계와 비교할 때 번거로운 역학만 식별하고 교체하기 때문에 비용이 덜 든다. 그러나 완전한 재설계에 비해 성능이 조금만 향상될 수 있다. 부분적 재설계가 성공하기 위해서는 어떤 기계요소가 문제가 되는지, 그 이유에 대한 깊은 이해, 실행 가능한 대안 및 비용에 대한 지식이 필요하다.

엔지니어는, 전체 시스템 기능과 하위 시스템의 상호작용 방식, 또한 하위 시스템의 옵션에 대한 전문 지식을 바탕으로 위험을 최소화하고 성능을 최대화하면서 비용을 가장 많이 절약할 수 있어야 한다.

다이렉트 드라이브 솔루션은 재설계없이 애플리케이션 요구사항을 충족할 수 있으며 부품 수, 조립 시간, 유지 관리 사항 등을 줄이면서 장비 성능과 생산성을 향상시킬 수 있다.

모터 또는 드라이브 교체

기계 성능을 향상시키기 위한 방법으로 가장 비용이 적게 들고 가장 위험을 최소화하는 방법은 모터 또는 드라이브를 교체하는 것이다. 그러나 구성요소를 변경하면 성능 향상이 제한될 수 있으며 기존 구성요소와 새 구성요소의 성능이 일치하지 않을 수 있다. 구성요소가 여러 공급 업체에서 공급을 받는 경우엔 더욱 그렇다.

컴패니언 모터(companion motor)의 전자기 구조는 드라이브 제어 알고리즘과 드라이브 모터 시스템이 통합되어 있다. 새로운 모터 또는 드라이브는 카탈로그에서는 우수한 성능 사양을 보여주지만 기존 시스템에 통합하면 장점이 줄어들 수 있다.

또한 한 벤더의 드라이브를 다른 벤더의 모터와 통합할 수는 있지만 시스템 구성요소 간의 특정부분의 비호환성으로 인해 전체 시스템 성능을 최적화하기가 어려울 수 있다. 분명한 것은 차세대 모터, 드라이브 및 컨트롤러는 성능 향상, 구성요소 크기 감소, 새로운 기능을 통해 사용자에게 이점을 제공한다는 것이며 새로운 모터 및 드라이브 조합은 훨씬 더 작은 공간에서 개선된 성능을 실현할 수 있다는 점이다. 엔지니어는 이를 통하여 기존 설계를 최소한으로 변경해 기계 성능을 크게 향상시켜야 한다.

모션 시스템을 성공적으로 업그레이드하려면 현재 기계 성능을 면밀히 검토해 생산성을 높일 수 있는 방법을 찾아야한다. 예를 들어, 이동 및 정착 시간을 개선하기 위해 가속할 힘이 더 큰 모터를 찾아야 한다. 기계의 물리적 크기를 줄이는 것이 중요하다면 작은 패키지에서 동등한 성능을 제공하는 모션 시스템을 제공받아야 한다. 모션 제어 시스템을 업그레이드하는 데 비용이 더 들 수 있지만 개별 구성요소를 교체하는 것보다 성능은 훨씬 향상될 수 있다.

대부분의 교체는 모터, 드라이브 및 케이블 연결만 업데이트하면 된다. 간단한 플러그 앤 플레이 기능을 제공하는 고급 모션 시스템은, 새로운 컨트롤러 또는 드라이브 구성 또는 새로운 프로그래밍 인터페이스 작업을 위한 학습을 최소화한다.

모션 시스템, 재설계 없이 기계 성능을 변화시킬 수 있다

차세대 모터, 드라이브 및 컨트롤러는 성능 및 생산성을 향상시킨다. 차세대 고 에너지 자석과 통합한 서보 모터는 동일한 공간에서 구형 모터보다 더 많은 토크와 전력을 전달할 수 있다. 작은 공간에서도 동등한 토크와 출력을 제공할 수 있어 성능 저하가 없다.

향상된 토크, 전력 밀도, 관성 감소, 사용자 정의 기능을 제공하는 서보 모터는 엔지니어에게 기계 생산성과 전체 장비 효율을 향상시킨다. 다축 서보 드라이브 솔루션과 함께 사용 공간, 에너지 소비, 비용을 줄이면서 성능을 보장할 수 있다. 다음의 예는 모션 시스템 선택을 기반으로 설계 변경없이 기계 성능을 향상하는 방법을 보여준다.

이는 이론적인 시나리오가 아니라 차세대 기술을 기반으로 한 실제 예이다. 이 경우는 AKD2G 서보 드라이브, AKM2G 서보 모터, 2G 케이블 및 지원 구성요소로 구성된 Kollmorgen의 2G 모션 시스템이다.

토크 및 출력 증가를 위한 모터

기존 모터와 동일한 크기와 구성으로 더 큰 토크와 동력을 제공하는 AKM2G 서보 모터는 엔지니어링 시간과 비용에 대한 투자를 최소화하여 기계 성능을 향상시킬 수 있다. 토크가 높을수록 가속 및 감속 시간이 향상되어 인덱싱이 빨라져 기계 생산성이 향상된다. 모터 출력을 높이면 기계 속도가 빨라지고 생산성이 향상될 수 있다. 여러 모터 설계 혁신으로 비슷한 크기의 패키지에 추가 토크와 동력을 제공할 수 있다.

효율적인 와인딩 설계는 제조 가능성을 향상시키면서 높은 슬롯 품질과 향상된 플럭스 생산 효율을 가능하게 한다. 권선은 고정자의 강철 톱니를 감싸는 구리선 코일로 구성되어 모터 전력을 제공하는 특정 경로를 만든다. 와이어는 고정자 톱니 사이에 슬롯을 형성하고, 슬롯에 구리의 양이 많아 전자기장을 보다 효율적으로 생성한다. 효율적인 자기 회로로 설계된 고에너지 희토류 자석은 토크 생산 증가에 중요한 역할을 한다.

동일한 크기로 관성을 낮추는 모터

동일한 크기를 유지하면서 로터 관성을 줄임으로써 모터 성능을 향상시킬 수도 있다. 토크 증가와 마찬가지로 낮은 로터 관성은 속도 변경에 필요한 에너지가 적다는 것을 의미한다. 최상의 결과를 얻으려면 회 전자 관성이 낮은 모터는 최적의 모션 성능을 달성하기 위해 고급 튜닝 기능을 사용해야한다. 이는 드라이브에 통합된 공급 업체와 협력하여 시스템 설계 방식을 쉽게 변경할 수 있다.

피드백 장치 제공 모터

피드백 장치를 제공하는 모터를 통해 기계 설계자는 기존 기계의 위치 정확도를 쉽게 유지할 수 있다. 새 모터는 정확성을 높이기 위해 업그레이드가 된 피드백 장치를 사용할 수 있다.

드라이브 변경

서보 드라이브를 변경하면 기계 성능을 향상시킬 수 있다. 최신 드라이브 기술은 소형 전력 장치, 향상된 방열판 보다 강력한 프로세서다. 더 작은 크기로 제공되는 고급 기능을 통해 드라이브는 제어 캐비닛에서 더 작게 공간을 차지한다. 설계자는 추가 기계 또는 보조 기능과 같은 기능을 추가할 수 있다. 또한 통합된 드라이브는 전류, 속도 및 사용자 정의 필터를 포함한 고급 튜닝 기능을 가지고 있어 모터/드라이브 시스템이 최적으로 응답할 수 있는 능력을 향상시킨다.

단일 케이블 대 이중 케이블 연결

구형 기계에는 모터 전원 및 피드백을 위한 별도의 케이블 링이 포함되어 있지만 새로운 모터/드라이브 설계는 단일 케이블을 통해 전원과 피드백을 모두 제공한다. 단일 케이블 설계로 전환하면 케이블 관리가 간소화되고 설치 비용은 절감된다.

공동 엔지니어링 역량

시장 수요를 충족시키기 위해 기계 성능을 개선한다고 해서 처음부터 설계를 다시 시작할 필요는 없다. 차세대 모션 시스템과 전문 엔지니어링 지식을 제공하는 공급업체와 협력하여 노후화된 기계가 설계에 미치는 영향을 최소화하면서도 성능을 향상할 수 있다. Kollmorgen의 2G 모션 시스템은 이러한 과제를 해결하기 위해 만들어졌다. Kollmorgen의 공동 엔지니어링 팀은 기계설계를 보다 효율적이며 생산적으로 업그레이드 할 수 있도록 지원한다.

자료 제공: KOLLMORGEN(www.kollmorgen.comm/2gmotion-2)