공압과 서보, 모션 제어 성능과 장단점 비교

Emerson

모든 기계는 작동자가 수동으로 작동하든 또는 고급 제어 플랫폼에서 자동으로 작동하든 기능을 수행하기 위해서는 모션 제어를 해야 한다. OEM 설계자는 이러한 모션제어 솔루션을 선택할 때 올바른 균형을 유지하기 위해 몇 가지 기술과 요구사항을 알아야 한다.

OEM 장비의 모션기능을 수행하는데 널리 사용되는 두 가지 기술은 서보 모터와 공압이다. 일반적으로 공압 부품은 정밀도가 낮은 비용 효율적인 솔루션으로 여겨지는 반면, 서보모터 및 제어장치는 정밀도가 요구되는 고성능 애플리케이션에 적합한 것으로 간주된다.

그러나 각 기술에는 다양한 이점이 있으며 둘 중 하나 또는 모두가 적합할 수 있는 애플리케이션이 있다.
모션 시스템은 많은 종류가 있어서 사용자가 올바른 솔루션을 선택하는 데 혼란을 야기할 수 있다. 의사결정 과정에서 사용자는 다음의 사항을 고려해야 한다.

• 새로운 기술에 대한 설계 노력 및 학습 곡선
• 초기 운영 및 유지 보수 비용
• 모션 제품과 다른 장치의 통합
• 연결 데이터 수집 및 장치 상태 분석 기능
• 성능과 유연성 및 애플리케이션의 정확도

OEM은 기술, 이점 등 가장 적합한 애플리케이션을 숙지해야만 설계 시 균형잡힌 접근 방식을 알 수 있다. 본문은 OEM이 시스템에 가장 적합한 옵션을 선택할 수 있도록 공압 및 서보 모션 제어의 성능과 애플리케이션, 장단점을 소개한다.

모션 컨트롤 개요

모션 제어에는 경로와 형상에 따른 몇 가지 옵션이 있다.

• 제품을 직선으로 이동시키는 것과 같은 직선 운동
• 컨베이어를 작동시키는 것과 같은 회전 운동
• 장비가 다양한 위치로 정확하게 이동되어야 하는 위치 운동

모션 시스템의 구성에 따라, 간단하게 하나의 방향으로만 움직이는 단축 모션(one axis motion)과 여러 방향으로 움직이는 다축 모션이 있다.

두 가지 유형의 기본적인 모션 드라이버는 공압 액추에이터와 전기 서보 모터이다. 이러한 드라이버는 구동 장비에 직접 연결되거나 벨트, 볼 나사 또는 테이블과 같은 메커니즘 또는 감속기를 통해 간접적으로 연결될 수 있다. 메커니즘과 감속기는 형상, 속도 또는 출력을 변경하는 데 사용된다. 설계자는 모든 모션 애플리케이션에 대해 다음과 같은 요구사항을 해결해야 한다.

• 모션 유형(직선, 회전, 기타)
• 고정 또는 가변 속도
• 가속도(선형 또는 가변)
• 위치, 거리 및 출력 요구사항
• 정확도
• 듀티 사이클(움직임이 발생하는 빈도)
• 신뢰성과 내구성
• 사용 가능한 에너지 소스
• 초기 운영 및 유지 보수 비용

다음은 선택에 대한 세부사항을 살펴보기 전에 각 기술에 대한 일반적인 설명이다.

공압 모션의 기초

공압에 의한 모션의 본질은 압축가스 즉, 일반적으로 공기를 사용한다. 하지만 필요한 모션 생성을 위해 질소와 같은 다른 가스도 사용한다. 공압 모션은 비교적 간단하고 쉽게 이해할 수 있는 기술이다.

공압 모션 솔루션은 하드웨어, 설계 및 설치에 대한 낮은 자본 비용으로 강력한 힘을 제공한다. 일부 추정에 따르면, 공압 모션 솔루션은 서보 모션 솔루션에 비해 축당 비용이 20% 저렴하다고 한다. 또한, 공압 솔루션을 업그레이드하거나 변경하는 경우에 구성요소가 적기 때문에 비용이 적게 든다.

가장 일반적인 공압의 예는, 내부에 피스톤이 있는 실린더이다. 압축 가스가 피스톤의 한쪽에 적용되고 반대쪽에서 배출될 때 모션을 생성하는 선형 힘이 발생한다. 실린더는 목표 하중을 이동하도록 기계적으로 배치한다. 압축 공기가 피스톤 양쪽에서 막히거나 또는 배출되면, 실린더는 제자리에 잠기거나 해제될 수 있다.

다른 가능한 공압 형태로서는 1/4 회전 액추에이터 또는 연속 회전 운동을 생성할 수 있는 공기 모터와 같은 유형이 될 수 있다. 또한 모션을 모니터링하고 최적화하기 위한 센서 및 흐름 제어와 같은 여러 액세서리가 있다.

공압을 위한 전자식 위치제어는 작업자가 제어버튼 및 스위치로 수행하거나 PLC 또는 루프 컨트롤러(loop controller)로 수행할 수 있다. 분리(켜기/끄기) 또는 아날로그(변조) 입력 신호에 의해 제어되고 때때로 모니터링도 되는 이 장치는, 일반적으로 비교적 작은 전기-공압식 솔레노이드 밸브(켜기/끄기) 또는 조절 위치 밸브를 작동하여 공압 장비에 압력을 가한다. 구동 장비의 스위치 또는 센서는 컨트롤러에 폐쇄 루프의 피드백 신호를 제공한다. 따라서 원하는 위치에 도달하기 위해 공기 흐름과 압력을 가할 수 있다.

공압은 메커니즘을 완전히 확장하거나 수축하는 것과 같은 이산 모션 기술(discrete motion technology)로 간주된다. 그러나 차압 제어(differential pressure control)를 사용하면 일정한 배압에 대해 제어된 압력을 적용하여 연속적인 포지셔닝을 달성할 수 있다.

서보 모션의 기초

서보 모터는 전기를 운동으로 변환하는 고정밀 형태의 전기 모터이다. 모션은 가장 일반적으로 회전하지만 선형 모터도 제공된다. 서보 모션에는 공압 모션 솔루션보다 복잡한 구성 요소, 설계 방식 및 설치 방법이 필요하다.

그러나 빠른 속도, 정확도 및 고효율이 중요한 설계인 경우 서보가 최선의 선택이다. 서보 모터는 하나의 폐쇄 루프 시스템을 구성하며, 다음과 같은 일반적인 요소로서 구성된다.

• 모션 컨트롤러
• 서보 드라이브
• 모터
• 피드백 센서

각 서보 모터는 지령된 신호를 따라 원하는 모터 작동을 생성하는 하나의 드라이브와 연결된다. 일부 다른 모터 디자인은 단순히 명령된 속도로 회전하지만 서보는 정확한 위치 지정, 정확한 각속도 및 가변 가속도 프로필을 제공하도록 특화되어 있다.

PLC 및 컨트롤러는 서보 모션 시스템과 연결될 때 고급 모션 제어 및 동기화를 수행할 수 있다. 이는 기계 가공, 로봇 공학 및 제조 장비와 같은 가장 복잡한 애플리케이션에도 구동 에너지를 제공한다. 다음은 몇 가지 특수한 서보 모션의 기능들이다.

• 포지셔닝: 서브 미크론 반복성으로 매우 정확하다.

- 조깅(jogging): 축 따라 이동을 제어
- 원점 복귀(homing): 축을 미리 정의된 '0' 위치로 이동
- 인덱싱(indexing): 축을 미리 정의된 각도 또는 간격으로 이동
- 롤 피드(roll feed): 특정 길이로 절단하여 제품을 연속적으로 공급

• 전자 캠(Electronic Camming): 미리 정의된 캠 테이블에 따라 기본축과 동기화하여 보조축을 제어

- 절대 캠(Absolute camming): 각 캠 테이블 포인트는 한 시작점으로부터의 절대 거리
- 상대 캠(Relative camming): 각 캠 테이블은 이전 지점으로부터의 상대 거리

• 전자 기어링: 기본 축 위치 또는 속도로 증분 및 비례하여 보조 축을 제어

- 절대 기어링: 보조 축은 절대 관계를 사용하여 기본 축의 기준을 따름
- 상대 기어링: 보조 축은 일반적으로 고급 애플리케이션과 함께 시간, 속도 또는 기타 특성을 기반으로 하는 기본 축의 속도를 따름

일부 선형 버전을 사용할 수 있지만 대부분의 서보는 회전 장치이므로 선형 동작 경로를 제공하기 위해 감속기 또는 기타 메커니즘이 필요할 수 있다. 서보 시스템은 로봇 암 조인트와 같은 애플리케이션에 대한 위치 모션 제어를 제공하거나 컨베이어와 같은 지속적으로 회전하는 장비를 작동하도록 구성할 수 있다.

분석

분석이라는 주제는 자세히 검토할 가치가 있다. 오늘날의 사용자는 디지털 자동화와 상세한 인터페이스를 제공하는 다양한 유형의 소비재에 익숙하다. 그들은 산업 시스템에서 동일한 유형의 풍부한 정보를 기대하고 있다.

공압은 이러한 정보를 제공하기 시작했으며 서보 드라이브는 포괄적인 연결을 통해 오랫동안 이 정보를 제공했다. 사용자가 IIoT 기능이 있는 시스템을 설치하기 시작하면 생성된 데이터를 높은 수준의 분석 시스템에 연결하고 생산 성능, 에너지 사용량 및 안정성 분석을 시작할 수 있다. 현장 데이터를 유용한 정보로 전환하면 사용자가 기계 작동을 개선하고 궁극적으로 생산을 개선할 수 있는 지속적인 개선 프로세스가 가능해진다.

공압 모션과 서보 모션 비교

애플리케이션에 적합한 모션 제어 기술을 선택하기 위해 작업하는 설계자는 많은 기준을 평가해야 한다(그림 3). 공압 모션 제어의 몇 가지 일반적인 특성은 다음과 같다.

• 강점

- 팽창력을 위한 에어백, 부품 청소를 위한 에어 제트, 부품 고정을 위한 그리퍼와 같은 기타 구성뿐만 아니라 선형 및 회전 운동을 전달할 수 있다.
- 페일 세이프 작동(fail-safe operation)을 위한 조항을 포함할 수 있다.
- 큰 힘을 생성할 수 있다.
- 비교적 저렴하고 설계, 설치 및 유지 보수가 간단하다.

• 약점

- 서보만큼 정확하거나 반복이 가능하지 않다.
- 에너지 비용이 서보보다 높다.
- 과도한 소음이 발생할 수 있다.
- 공압은 지능화되고 있지만 분석을 위해서는 추가 소프트웨어가 필요하다.

서보 모션 제어의 몇 가지 일반적인 특성은 다음과 같다.

• 강점

- 고속으로 작동할 수 있고 강한 힘을 생성할 수 있다.
- 컨트롤러와 모터 사이의 폐쇄 루프 피드백으로 인한 우수한 정확도 및 반복성을 제공한다.
- 에너지 비용은 공압 보다 낮다.
- 서보 드라이브와 컨트롤러는 마이크로프로세서 장치이기 때문에 높은 수준의 온보드 기능을 갖고 있으며 많은 생산 현장에 대한 원격 진단 및 데이터 로깅 기능을 지원할 수 있다.

• 약점

- 설계, 프로그래밍, 설치 및 유지 관리가 비교적 복잡하다.
- 일부 설치에는 냉각이 필요하다.
- 정상적인 고장 모드는 페일 인 포지션(fail-in-position)이며, 이는 바람직하지 않을 수 있다.
- 모든 전기 장치와 마찬가지로 서보 및 드라이브는 세척 조건에 취약하며 보호 장치가 필요하다.

애플리케이션

일부 애플리케이션에는 공압 또는 서보 기술이 가장 잘 작동하나, 많은 애플리케이션의 경우 선택과 요구의 범위가 필요하다. 최종 사용자는 완전한 기술 및 사이징 옵션에 대한 포트폴리오를 제공하는 신뢰할 수 있는 공급업체와 협력할 때, 올바른 솔루션을 선택하고 서비스를 제공받으며 장기적으로 쉽게 지원받을 수 있다.

모든 모션 솔루션은 기술적으로 애플리케이션 요구사항을 충족해야 한다. 상자를 컨베이어에서 밀어내는 간단한 메커니즘의 경우 공압 실린더가 가장 적합한 선택일 것이다. 반면에 소형 컨베이어가 컨테이너를 특정 위치로 이동하고 텀블링 없이 정지한 다음 채워진 후 운반해야 하는 경우 서보 모터가 필요한 정밀한 컨베이어 제어를 제공할 것이다.

제조시설은 생산라인에 배치된 여러 OEM 장비에 의존하고 있다. 이러한 애플리케이션에는 공압 및 서보 모션을 모두 통합할 수 있는 많은 기회가 있다. 모션 제품 포트폴리오에서 개발된 전기 공압 솔루션은 각 특정 모션에 대해 최상의 기술을 적용할 수 있도록 도와준다. 일반적인 배열은 그림 4에서 보여주며 다음의 기능들이 순서대로 통합된다.

• 용기를 스트레치 블로우 성형
• 용기를 채우고 마개를 닫음
• 전달하고 축적(서지)
• 용기에 라벨을 붙임
• 채우기 및 레이블을 검사
• 용기를 케이스에 넣음
• 케이스 팔레타이징 및 수축 포장

다음은 공압 및 서보 모션 솔루션이 이러한 각 기능에서 역할을 수행하는 몇 가지 방법이다.

• 스트레치 블로우 성형은 공압에 의해 제공되는 압력에 크게 의존된다.
• 단순 운송 컨베이어는 온/오프 방식으로 작동되는 기본 전기 모터 또는 가변 주파수 드라이브(VFD)에 의해 구동될 수 있으며 제품 정지 및 게이트는 공압 작동에 적합하다.
• 필러 및 라벨링 장비 내에서 병의 정밀 운반 및 위치 지정은 서보 솔루션에 의해 가장 잘 제공된다. 포토 아이 및 비전 시스템과 조정된 서보는 인쇄 표시를 감지하고, 라벨 절단 칼을 작동하고, 일정한 제품 간격을 유지하고, 채우기를 위해 병을 정확하게 배치할 수 있다.
• 상자를 접고 접착제를 바르는 데 사용되는 포장 장비는 라벨링보다 덜 정확하므로 이러한 응용 분야에서는 공압 제어가 널리 사용된다.
• 팔레타이징 시스템은 두 가지 형태의 모션을 모두 사용할 수 있다. 공압은 벌크 케이스를 처리하는 데 적합하며 서보 모션은 상당한 수준의 보간 및 미세 위치 조정을 제공한다.

결론

설계자와 OEM 장비 제조업체는 신뢰할 수 있는 모션 제어 솔루션에 의존한다. 공압 및 서보 구동 요소는 가장 많이 사용되는 두 가지 옵션이다.

• 공압 모션은 간단하고 경제적이며 견고하며 유지 보수가 가능하지만 작동 정밀도가 충분하지 않을 수 있다.
• 서보 모션은 지능적이고 정확하며 빠르지만 설계 및 구현에 비용이 많이 들고 복잡할 수 있다.

자료 제공: Emerson(www.emerson.com)