고성능 서보 프레스 기술의 장점과 설계시 고려사항
기존의 유압 프레스는 금속 성형 및 절곡, 베어링 프레스 및 조립과 같은 산업 분야에서 수십 년 동안 제조의 핵심 역할을 해왔다. 이러한 프레스는 여전히 많은 고강도 프레스 응용 분야에서 선택 되고 있다. 그러나 서보 전기 프레스 기술의 출현으로 다양한 응용 분야에서 유압식 기계에 비해 정밀도, 프로그래밍 가능성, 에너지 효율성, 신뢰성 및 유연성 면에서 상당한 이점을 제공한다.
이 기사에서는 새로운 프레스 장비를 개발하거나 유압 시스템을 개조하거나 기존 생산 라인을 현대화하기 위해 프레스 기술을 지정하려는 엔지니어를 위해 서보 전기 프레스의 장점과 설계 고려 사항을 살펴보고 서보 기계식과 고급 리니어 서보 프레스 기술의 차이점에 대해 설명하고자 한다.
서보 전동 프레스란 무엇인가요?
기존의 유압 프레스에서는 유압 펌프가 압력을 발생시켜 실린더를 확장하고 유체 압축을 통해 힘을 생성한다. 그러나 서보 전기 프레스는 리니어 액추에이터에 연결된 브러시리스 AC 서보 모터(기어박스 포함)를 사용하여 프레스 고정 장치를 구동한다. 전동 액추에이터 어셈블리(모터, 기어박스, 리니어 액추에이터)가 누르는 힘을 제공하고 제어는 다음과 같이 이루어진다.
시스템은 정밀하게 프로그래밍된 모션 프로파일을 통해 작동을 조정한다. 기존 유압 시스템과 달리 서보 전기 프레스의 가장큰 장점은 각 공정 주기 동안 램의 힘, 속도, 위치가 지속적으로 모니터링되고 실시간으로 조정된다는 점이다.
엔지니어가 유압 실린더(또는 다른 프레스 시스템) 대신 리니어 전동 액추에이터를 선택하는 주된 이유는 복잡한 실시간 모션 제어를 적용할 수 있기 때문이다. 전동 액추에이터를 서보 모터및 모션 제어 시스템과 결합하면 기존 유압 시스템보다 적은 부품, 적은 유지보수, 높은 수준의 일관성으로 정확도와 반복성 수준을 모니터링하면서 위치를 무한대로 제어할 수 있다.
최신 서보 모터 기술은 최대 50톤의 단일 액추에이터 옵션으로 컴팩트한 패키지에서 매우 높은 연속 힘 용량을 구현할 수 있다. 50톤 범위를 넘어서면 엔지니어는 종종 이중 전기 액추에이터 설계(힘 용량을 두 배로 늘림) 또는 맞춤형 액추에이터 솔루션을 검토한다.
이를 통해 리니어 서보 전기 프레스는 비슷한 크기의 유압 기계의힘 용량과 톤수에 맞출 수 있을 뿐만 아니라 기존 유압 장치에 비해 △ 힘과 움직임의 정밀한 제어 △ 최적의 반복성, 강성 및 위치 정확도 △ 프로그래밍 가능한 누르는 힘, 속도 및 스트로크 모션 프로파일 △ 모니터링, 분석 및 프로세스 개선을 위한 힘 및 위치 데이터 캡처 등의 다양한 이점을 제공한다.
오늘날 서보 전동 프레스를 정의하는 두 가지 기술이 있다. 두 기술의 가장 큰 차이점은 서보 모터의 힘을 전달하여 프레싱 동작을 생성하는 방식이다. 서보 기계식 전동 프레스에서 서보 모터는 크랭크샤프트, 플라 이휠, 커넥팅 로드와 같은 기계 시스템을 구동하여 회전 운동을 직선 운동으로 변환한다. 프레스 툴링은 크랭크샤프트의 왕복 운동으로 구동된다.
이와 대조적으로 리니어 서보 프레스는 다이렉트 드라이브 리니어 액추에이터를 사용한다. 서보 모터는 롤러 스크류 또는 볼 스크류 메커니즘을 직접 구동하여 토크를 리니어 추력으로 변환한다. 프레스 고정 장치는 일반적으로 스크류 어셈블 리의 스러스트 로드 엔드에 직접 연결된다.
▲ 고출력 서보 전기 액추에이터는 제조업체들이 차세대 프레스 기술을 위해 선택할 뿐만 아니라 기존 기능을 향상시키기 위해 유압 프레스 실린더를 대신하여 개장하고 있다.
▲ 유압 실린더와 필요한 구성 요소는 전기 액추에이터보다 훨씬 복잡하고 유지 관리가 더 많이 필요하며 고장에 더 취약하다.
리니어 서보 설계의 장점
리니어 서보 설계는 서보 기계식 프레스에 사용되는 회전식-선형 기계식 변속기를 제거하여 전체 서보 모터 출력을 직접 선형 추력에 집중한다.
이보다 효율적인 설계는 로터리 서보 프레스 메커니 즘에 비해 △ 더욱 정밀한 위치 및 속도 제어 △ 기계식 크랭크샤 프트 또는 플라이휠로 인한 에너지 손실 제거 △ 더 높은 가압력및 톤수 용량 △ 더 빠른 스트로크 속도 등 상당한 성능 이점을 제공한다. 요약하자면, 리니어 서보 프레스 기술은 비슷한 크기의 유압 장치의 높은 힘과 서보 제어의 정밀도, 속도 및 유연성이라는 두 가지 장점을 결합한 기술이다. 이러한 장점은 기계적 힘 전달을 사용하는 기존 서보 프레스에 비해 리니어 서보 기술이 고정밀 프레스 애플리케이션에 더 나은 선택이 될 수 있다.
▲ 전동 리니어 액추에이터는 유압 실린더에 비해 효율성이 높고 정밀도가 향상되어 정확성, 속도, 유연성이 요구되는 프레스 애플리케이션에 이상적인 기술이며 유지보 수를 크게 줄일 수 있다.
리니어 서보 프레스 애플리케이션 및 기능
리니어 서보 프레스는 높은 수준의 정밀도와 제어된 힘 적용이 필요한 산업에 적용된다. 리니어 서보 프레스의 일반적인 기계 응용 분야는 다음과 같다.
• 금속 스탬핑: 리니어 서보 프레스의 정밀한 제어 및 위치 지정 기능은 정확하고 일관된 부품 생산을 보장하여 블랭킹, 피어싱, 벤딩 및 성형과 같은 다양한 금속 스탬핑 작업에서 불량률을 줄이고 전반적인 생산성을 향상시킨다.
• 조립 및 접합: 베어링 조립 프레스는 씰 및 고정 링 삽입과 같은 조립 작업 중 손상을 방지하기 위해 힘과 위치를 정밀하게 제어 하는 것이 중요하다. 프로그래밍 가능한 모션 프로파일을 사용 하면 복잡한 조립 시퀀스를 구현할 수 있으며 조립된 부품의 적절한 정렬과 품질을 보장할 수 있다.
• 리벳팅 및 체결: 안정적인 조인트 무결성을 위해 중요한 리니어 서보 프레스는 특정 체결 요구 사항에 따라 힘 수준을 조정할 수있는 유연성을 제공하며 다양한 재료와 패스너 크기를 쉽게 수용할 수 있다. 또한 리니어 서보 프레스는 모션 프로파일 전체에 걸쳐 다양한 속도와 힘을 가할 수 있어 복잡한 애플리케이션을 최적화할 수 있다.
• 재료 성형: 프로그래밍 가능한 모션 프로파일과 정밀한 힘 제어를 통해 재료 성형 시 높은 정확도와 반복성으로 복잡한 형상을 만들 수 있다. 딥 드로잉, 엠보싱, 압출과 같은 응용 분야에 적합 하다. 스트로크 하단에서 느리고 제어된 속도를 쉽게 얻을 수 있으며 드로잉 요구 사항에 따라 체류 시간을 조정할 수 있다.
• 플라스틱 및 복합 성형: 복합재 성형 공정에는 프로그래밍 가능한 가압력, 연장된 체류 시간, 조절 가능한 가열이 필요하다. 리니어 서보 프레스를 사용하면 최적의 품질과 사이클 시간 단축을 위해 복합재 경화 공정의 정확한 요구 사항에 맞게 모션 프로파 일을 조정할 수 있다. 리니어 서보 프레스는 일관된 성형 결과를 위해 매번 정밀도를 제공한다.
• 테스트 및 품질 관리: 리니어 서보 프레스는 압축 테스트, 인장 테스트, 박리 테스트 및 기타 재료 특성 평가를 수행하는 데 사용할 수 있어 정확하고 반복 가능한 테스트 결과를 보장한다.
• 전자 및 마이크로 일렉트로닉스 조립: 리니어 서보 프레스는 PCB 조립 및 본딩 공정과 같은 부품 조립에 사용된다. 섬세한 부품에 정밀한 힘을 가할 수 있으며 초음파 접착 또는 열 압축 접착과 같은 다양한 접착 기술을 수용할 수 있다.
• 의료 기기 제조: 리니어 서보 프레스의 정밀한 위치 지정 및 힘제어는 조립, 접합, 성형 작업의 공차가 큰 애플리케이션에 적용 되어 의료 기기의 품질과 신뢰성을 보장하는 경우가 많다.
• 항공우주 및 자동차 산업: 항공우주 및 자동차 산업의 다양한 응용 분야에서는 판금 성형, 조립, 테스트, 체결 작업 등 엄격한 품질및 성능 요건을 충족하기 위해 리니어 서보 프레스를 사용한다.
• 일반 제조: 리니어 서보 프레스는 프레스 힘 제어, 위치 정확도, 공정 유연성이 요구되는 절단, 절곡, 압착, 접합 작업 등 광범위한 제조 공정에 적용된다.
▲ 고출력 전기 액추에이터로 작동하는 리니어 서보 프레스는 유압식 프레스에 비해 다양한 애플리케이션과 산업에서 제어, 정밀도, 반복성, 통합, 생산성 및 유지보수 측면에서 많은 이점을 제공한다.
액추에이터, 리니어 서보 프레스의 초석
리니어 서보 프레스 제조업체는 종종 Tolomatic과 같은 리니어 액추에이터 전문업체와 협력하여 제품의 초석으로 고출력 전기 액추에이터를 선택하거나 설계한다. 다양한 서보 모터, 제어 장치및 표준 구성품으로 인해 점점 더 많은 엔지니어가 다음과 같은 작업을 수행하고 있다. 또한 프레스용 전동 리니어 액추에이터를 고유한 애플리케이션 요구 사항에 맞게 구성하기로 결정했다.
기존의 유압 프레스에서 고효율 리니어 서보 프레스로 진화하 면서 제조업체는 다양한 애플리케이션과 제품에서 더욱 정교한 생산 능력과 생산성을 달성할 수 있게 되었다. 그 결과 기존 프레스 방식에 비해 다용도성, 품질, 처리량이 크게 향상되었다.
사전 구성된 통합 리니어 서보 프레스 솔루션을 찾거나, 특정 응용 분야 과제를 충족하는 솔루션을 설계하거나, 노후화된 장비를 교체하거나, 신제품 개발을 위해 업계에서 가장 유능한 리니어 모션 제어 파트너를 찾는 경우, 설계 엔지니어는 다양한 리니어 액추에이터 솔루션을 제공하는 공급업체를 찾아야 한다. 예를 들어, 다음은 Tolomatic에서 제공하는 솔루션이다.
• 익스트림 고출력 전동 리니어 액추에이터: 특허받은 정밀 연삭 유성 롤러 나사, 대형 타이로드, 고강도 강철 전면 플랜지, 고강도 프레스 이동에 최적화된 베어링 시스템으로 강화된 프레스 전용 전기 리니어 액추에이터인 RSX096P를 포함한 업계에서 가장 광범위한 고강도 리니어 액추에이터 중 하나를 선택할 수 있다.
▲ RSX 전동 리니어 액추에이터 플랫폼은 독점적인 유성 롤러 스크류 설계를 통해 정밀하고 안정적인 성능과 일관되고 긴 수명의 작동을 실현한다.
• 유압 교체: RSX, RSA, IMA, RSH 및 IMA-S 액추에이터는 기존 프레스 기계의 유압 실린더 또는 기계식 플라이휠 시스템을 개조 및 교체하는 데 이상적인 솔루션인 모듈식 구성품이다. 높은 유지보수 문제를 완화하는 기술 업그레이드의 경우 또는 최신 공장 자동화 및 안전 솔루션과 통합되는 솔루션을 개발하려면 유압 교체 가이드를 다운로드할 수 있다.
일반적인 산업용 애플 리케이션 외에도 Tolomatic은 까다로운 세척 프레스 애플리케이션에 활용할 수 있는 스테인리스 스틸 IP69K 위생 액추에이터도 제공한다.
• 액추에이터 수정: 요구 사항이 표준 제품 구성을 벗어나는 경우, 유능한 리니어 모션 제어 파트너가 스트로크, 속도, 힘 또는 기타 요구 사항을 포함하여 고객의 요구 사항을 충족하도록 솔루 션을 수정할 수 있다. 검증된 제품 플랫폼으로 시작하면 고유한 요구 사항에 맞게 액추에이터 솔루션을 발전시킬 수 있다. 크기 및 선택 소프트웨어를 사용하여 프레스 애플리케이션에 맞게 리 니어 액추에이터를 설계하고 모델링한다.
그런 다음 사용자 또는 기계 제작업체가 설계를 완료하고 프레스 픽스처, 로드셀 및안전 장치를 요구 사항에 맞게 지정할 수 있다. 그런 다음 적절한 장착 하드웨어를 제공하는 Tolomatic의 Your Motor Here 프로그램을 통해 원하는 모터를 지정하거나 공장 설치를 위해 모터를 배송하는 옵션을 선택할 수 있다.
▲ Tolomatic RSX 액추에이터가 장착된 E-Press SLV-60은 사전 엔지니어링된 여러 리니어 서보 중 하나이다. 구체적이고 까다로운 애플리케이션 요구 사항을 충족하 도록 구성할 수 있는 프레스이다.
• 사전 엔지니어링 솔루션 ‘E-Press’: 리니어 서보 프레스 응용 분야에서 폭넓게 적용되고 있는 Tolomatic은 SOLVE Industrial Design NYC와 제휴하여 검증된 사전 엔지니어링 C-프레임 프레스 설계인 E-Press를 제공한다. 이 설계 시간 절약 옵션은 최대 267kN(60,000lbf)의 힘 범위를 가진 다양한 로드 스타일 전기 옵션으로 제공되는 기본 모델을 소개한다.
각 모델은 스트로크 구성이 가능하고 전기 모터, 액추에이터 및 픽스처를 포함한 완벽한 구성이 가능하며 원하는 것을 장착할 수 있다. 요구 사항에 따라 라이트 커튼, 양손 제어 및/또는 가드 구성을 포함한 다양한 안전 기능을 선택할 수 있다. 또한 Your Motor Here 프로 그램을 활용하여 이러한 사전 엔지니어링 선택 사항과 함께 선호하는 모터를 사용할 수도 있다.
<표1> E-Press 사전 엔지니어링 리니어 서보 프레스
• 맞춤형 솔루션: 기존의 표준 리니어 액추에이터로는 해결할 수없는 제조 문제도 있다. 바로 이 때 맞춤형 설계 시스템을 고려 해야 한다. 유능한 리니어 모션 시스템 전문가가 수십 년간의 경험과 혁신적인 제품을 제공하여 프레스 솔루션을 빠르게 찾을 수 있도록 도와줄 수 있다.
그러나 모든 공급업체가 과제에 대해 충분히 협력하거나 자사 제품을 기꺼이 수정할 의향이 있는 것은 아니다. 이 경우 카탈로그 솔루션 이상의 것을 제공하고, 기술적 과제를 수용하며, SOLVE와 같이 현지 유통업체 및 통합업체와 협력하여 프레스 솔루션을 개념에서 현실로 효과적으로 구현할 수 있는 파트너를 찾아야 한다.
또한 숙련된 유통업체를 통해 풍부한 설계 지식, 엔지 니어링 창의성 및 기술 지원을 종합적으로 제공하여 제조 과제를 해결할 수 있는 강력한 파트너가 될 수 있다.
자료제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)
