시스템에 기계적으로 작동하는 모션 서브시스템을 추가 배치함으로써 성능 향상과 비용 절감이라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있다. Bell-Everman에서 발행한 기술 자료를 통해 모션 서브시스템을 어떻게 적용할 수 있으며 이를 통해 어떤 이득을 얻을 수 있는지 알아본다.
자료｜Bell-Everman(www.bell-everman.com)

  작업에 필요한 모션 관련 시스템을 구축한다고 가정하자. 사용자는 액추에이터와 위치결정 스테이지를 가지고 작업하게 된다. 하지만 이들 장치만으로 최고 성능과 최저 비용이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있을까?

다양한 사례에서 액추에이터 혹은 스테이지를 교체하거나 추가로 구매할 계획을 세운다. 모션 장치가 원하는 위치결정 기술, 힘, 하중, 속도 그리고 비용 등의 요구사항에 충족하기만 하면 교체하는 것이 바람직하다.

간단한 요구사항이라면 액추에이터나 스테이지에 대한 이런 접근법이 괜찮은 결과를 만든다. 하지만 기계적인 움직임이 다양하거나 복잡한 장비라면 임베디드 모션 설계를 계획하는 것이 더욱 도움이 된다. 잘 작동하는지 여부를 섣불리 판단하기 힘든 부품 덩어리들보다 플러그 앤 플레이 모션 서브시스템을 지원하는 임베디드 모션 시스템이 적절한 선택일 수 있다.

임베디드 모션 시스템은 물리적인 작업 공간에 꼭 맞도록 설정할 수 있는 것이 특징이다. 
 

임베디드 모션 시스템은 장비의 모션컨트롤 시스템과 결합해 높은 수준의 컴퓨터 인터페이스와 컨트롤 카드 그리고 PLC 등을 통해 명령을 받아들인다. 임베디드 모션 시스템은 액추에이터나 스테이지보다 조금 더 많은 요소로 구성되어있다. 커넥터가 달려있어 드랍 인 설치(설치하기 위해 여러 과정을 거쳐야 하는 설치를 말함. 편집자 주)를 더 용이하게 바꿀 수 있다. 핀 배치부터 화물 운반에 이르기까지 다양한 분야에서 활용한다. 또한 모션 장비 자체뿐 아니라 운반하는 모든 작업 및 대상을 통합한다.

  임베디드 모션 시스템의 장점

임베디드 모션 시스템은 부품 대 부품 접근법에 비해 다음과 같은 이점을 제공한다.

 

장비의 성능. 같은 액추에이터 혹은 스테이지를 사용한다 하더라도 일반적으로 부품 내장 및 조립형 모션 시스템보다 임베디드 모션 시스템이 더 나은 결과를 창출한다. 임베디드 모션 시스템은 응용사례 및 조합이나 조립에 대한 전문성을 가지고 있기 때문이다.
 

오늘날 임베디드 모션 공급업체는 수 년 동안 어려운 위치측정 문제를 해결해온 전문가들로, 경험을 통해 검증을 마친 모션 관련 부품들을 제공한다. 또한 각 단계 사이의 역학관계와 모션 제어 구조 그리고 운영환경에 대한 상세한 이해를 바탕으로 위치결정 요구사항을 해결한다.
 

최근 업계에는 조립 및 조합 면에 능통한 기술자들이 부족하다. 대부분의 정밀 다축 스테이지, 즉 축과 축 사이에 정렬 허용오차가 마이크로미터 단위에 불과한 스테이지를 정렬하기 위해서는 전문적인 설비와 레이저 간섭계 그리고 측정 시스템이 필요하다. 

 

제어 전문지식. 고객이 요구하는 사항에 따라 임베디드 모션 시스템은 모션컨트롤을 제공할 수도, 제공하지 않을 수도 있다. 하지만 임베디드 모션과 제어는 떼려야 뗄 수 없는 관계다.
 

임베디드 모션 공급업체는 광범위한 지식을 가지고 서로 다른 모션컨트롤 플랫폼 및 운동학적 능력을 기계적 모션 시스템 안에서 상호작용하도록 돕는다. 이 지식은 동적인 역량의 한계를 초월한다. 대표적인 예로는 허용 관성부조화(Inertia Mismatch) 비율이 있다.

신뢰성. 새 모션 시스템을 작동할 때 발생하는 몇 가지 문제들은 겉보기에는 별로 중요하지도 않은 부품들이 제대로 작동하지 않거나 혹은 다른 장치에 제대로 반응하지 못해 일어난다. 예를 들어 단 한 개의 연결 장치에 결함이 있거나 연결이 잘못되었다면 제아무리 최고의 모션 스테이지라 할지라도 작동하지 않을 수밖에 없다.
 

임베디드 모션 시스템을 사용하면 이런 오류를 피할 수 있다. 모든 부품을 단일 시스템으로 취급하며, 사전에 충분히 시험 과정을 거친 후 조립하기 때문이다. 개별 구성요소를 모아 만든 모션 시스템 대비 한결 작은 오류와 높은 호환성을 자랑한다.

비용 절감. 임베디드 모션 시스템은 기존 개별 구성요소 기반 모션 시스템보다 비용이 25% 내지 50% 가량 적게 든다. 비용을 절감할 수 있는 비결 중 하나는 전체 부품 개수를 줄이는 것이다. 브래킷과 커넥터 및 여타 부품들을 통해 설계한다고 가정했을 때, 모션 시스템을 설계 및 구축하는 것뿐 아니라 이와 관련한 모든 숨겨진 비용을 감안하면 비용 절감률은 50% 가량 급등한다. 숨겨진 비용이란 엔지니어링과 재고 계산은 물론, 제품 개발부터 시장에 내놓기까지 드는 모든 비용을 포함한다.
 

임베디드 모션 시스템의 이점을 누릴 수 있는 분야는 다양하다. 반도체·레이저 커팅·포장·실험용 자동화 기계 등 그 종류만 해도 수십 가지다. 
 

대표적인 두 개의 응용사례에서 임베디드 모션 솔루션이 없었다면 성능 및 비용 요구사항을 충족하는 것은 불가능했으리라. 하나는 정밀 반도체 싱귤레이션 작업에 쓰이는 리니어 임베디드 모션 시스템이고, 다른 하나는 특정 CNC 기계에 대응하여 Bell-Everman이 직접 만든 로터리 모션 서브시스템이다.

반도체 업체를 위한 리니어 스테이지

어떤 스테이지든 개수가 많으면 정렬 및 제어 문제로 고통을 겪게 된다. 각각의 축들을 모아 설계 및 제작하고자 한다면 고생길이 열린다. 잔뜩 쌓여있는 스테이지들을 가지고 위치 혹은 정확도 요구사항을 충족해야 하는 경우에는 통합 시스템 안에서의 각 스테이지 기능이 결정적 역할을 한다. 
 

Bell-Everman은 최근 반도체 싱귤레이션 업체에 스테이지를 성공적으로 납품했다.
 

업체에게는 다축 스테이지에 두 가지의 상반된 움직임을 만들 수 있는 다용도 리니어 드라이브 시스템이 필요했다. 하나는 초당 400㎜가량의 긴 거리를 이동하며, 다른 하나는 13㎜라는 짧은 거리를 10μm 단위 정확도로 150 밀리초 이내에 이동해야 하는 고속 시스템이다. 각 축에서 이동하는 가장 낮은 무게는 38㎏이며, 양방향 정확도는 ±5μm를 목표로 하고 있다. 

회사는 이를 실현하기 위해 1μm 기준 위치를 가지고 있는 레니쇼 광학 리니어 인코더를 사용했다.
 

고객은 처음에 XY 볼나사 스테이지 설계를 이용하고자 했다. 하지만 원하는 움직임을 만들어내는 데 실패했을 뿐 아니라 고객이 원하는 만큼의 필요 처리량을 충족시키지도 못했다. 이론상으로는 볼나사 기반 설계로도 원하는 움직임 요구사항을 모두 충족시킬 수 있었다. 하지만 이 설계는 백래시 없는 볼나사와 인코더를 바탕으로 만들어졌다. 이는 가격이 비싸 예상 비용을 초과하게 될 확률이 높다. 
 

업체는 리니어 모터로 방향을 돌렸다. 리니어 모터는 요구하는 움직임을 만들어낼 수 있는 능력이 충분했다. 하지만 이 응용사례에 적용하고자 한 리니어 모터는 매우 크고 비쌌다. 응용사례에서 요구하는 300N의 지속적인 힘을 감당하기 위해서는 긴 모터 코일이 필요했던 것. 코일 길이는 전체 장비 설계를 전면적으로 변경해야 할 정도로 중대한 사항이며, 최악의 경우 설계 단계부터 다시 작업해야 하는 불편함이 따른다. 설계를 변경했을 때 리니어 모터의 비용 역시 고객이 원하는 비용보다 50% 이상 비싸졌다.
 

고객은 Bell-Everman의 ServoBelt 리니어 드라이브를 기반으로 한 임베디드 모션 시스템을 택했다. 리니어 인코더를 통해 이중 루프 제어를 제거함과 동시에 단일 루프 제어를 실현함으로써 직관적인 제어 전략을 활용할 수 있게 됐다.

ServoBelt 모션 시스템은 고가 리니어 모터 대비 다양한 장점을 제공한다.

제로 백래시 솔루션. 이 활용사례에서 빠르고 정확한 움직임을 달성하는 유일한 방법은 리니어 인코더를 사용해 서보 루프를 닫는 것이다. 이를 실현하기 위해서는 백래시가 없는 동력전달장치가 필요하다. ServoBelt는 백래시가 없다. 동적인 요구사항을 충족하는 제어 시스템을 실현하고자 할 때 필수적인 사항이다. 

제동 내재성(Inherent Damping). ServoBelt는 뛰어난 기계적 제동 기능을 내재하고 있어 조정 단계에서 이득을 안겨준다. Bell-Everman에 따르면, ServoBelt는 여타 제품 대비 속도와 위치 관련 이득이 4배에 달한다. 안정 시간이 매우 낮다고 풀이할 수 있다. 반면 리니어 모터는 서보 증폭기 전자장치가 갖고 있는 제동을 실험해야 하며, 이는 위치와 관련된 이득을 낮추는 결과를 낳는다.

작고 간편한 플러그 앤 플레이 시스템. 시스템 상에서 스테이지는 단일 장치로 설계·제작·사용된다. 
 

Bell-Everman은 결정적인 정렬 작업과 기능 실험을 사전에 마침으로써 사용자가 작업에만 전념할 수 있도록 돕는다. 제품에 문제가 발생할 경우 실험 과정에서 발견하게 되며 이를 즉각 수정하므로 문제점이 고객에게 도달하지 않는다. 스테이지를 설계할 때부터 임베디드 모션 시스템을 염두에 두고 설계함으로써 미리 정해진 물리적 공간 요건을 충족하도록 고려한다.

로터리 모션, 표면 마감 품질 높이다

3축 CNC 밀링 머신은 절삭공구 위치를 결정하기 위해 리니어 모션 시스템을 사용한다. Bell-Everman은 최근 의료용 도자기를 밀링하기 위해 임베디드 CNC 플랫폼을 개발 및 제작하는 과정에서 색다른 방법을 제시했다.
 

기존 3축 리니어 모션 시스템을 대신해 마련한 탁상만한 크기의 기계에 로터리 및 리니어 위치결정장치를 모두 담았다.

로터리 장치로는 ServoBelt 100 두 대가 서로 마주보는 방식으로 장착되어있다. 이 중 하나는 15만 RPM의 압축 공기를 동력으로 하는 스핀들을 장착하고 있다. 다른 하나는 공정 중인 제품을 붙잡아 180° 회전할 수 있다. 이 장치들을 통해 양면 가공을 실현한다.

리니어 축에서는 ServoNut 액추에이터를 구동한다. 회전 장치가 절단을 마친 제품을 잡아 축 방향으로 회전시킨다. 가공 과정에서는 세 장비가 동시에 움직인다. 리니어 축이 Z축 위치를 조절한다. 절삭공구를 제품과 직면으로 마주하게 옮기는 역할도 맡는다. 앞서 설명한 두 개의 ServoBelt가 서로를 마주본 채 회전한다. 따라서 절삭공구는 40×40×40㎜ 범위 안에서 제품 표면 중 어느 지점이든 도달할 수 있다.
 

회전식 설계는 기술 면에서 중요한 이점을 제공한다. 로터리 스테이지는 높은 강성을 갖고 있다. 응용사례가 원하는 기계 가공의 허용 오차를 충족하기 위해 필요한 사항이다. 또 평생 윤활(Lube For Life) 기능을 적용해 유지관리 비용을 절감하고 오염 위험을 줄인다. 마지막으로 로터리 스테이지는 간단한 씰링 솔루션을 제공해 움직임을 유지하는 구성요소들을 절삭제 및 세라믹 먼지로부터 보호한다. 두 로터리 스테이지 모두 커팅 챔버의 벽에 회전식 밀봉장치를 부착함으로써 수명을 연장한다. 이와 대조적으로 XYZ 모션 시스템은 보다 덜 명쾌한 씰링 솔루션을 가지고 있다. 벨로스나 아르마딜로 커버 등이 그것이다.
 

시스템 안에서 각 축이 함께 움직이기 위해서는 CNC 운동학(kinematics)을 재검토해야 한다. 많은 경우 절삭 공구와 제품의 회전형 위치 제어를 위해 데카르트 좌표(직교 좌표)보다 극좌표를 필요로 하기 때문이다. 즉, 컨트롤러가 XYZ G코드 명령을 수행한다고 하더라도 극좌표로 실시간으로 변환해야 하는 추가 업무가 따른다. 이는 결코 쉬운 일이 아니다.
 

왜 이렇게 공을 들여야 할까? 도자기(세라믹) 생산에서는 회전 운동이 직선 운동보다 부드러운 표면 마감을 실현한다. 그 이유는 ‘럼블(Rumble)’ 때문이다. 제아무리 최고의 리니어 베어링이나 볼나사라 하더라도 베어링 홈 사이에서 하중이 왕복운동을 반복하는 과정에서 볼 재순환(Ball Recirculate) 현상이 나타날 수 있다. 럼블은 모션 시스템 전체에 퍼져 각 부품 및 제품에 전달돼 표면 품질을 주기적으로 변화시킨다. 
 

ServoBelt 로터리 스테이지는 직경이 큰 로터리 베어링을 장착하므로 볼 럼블 문제에서 자유롭다. 이 CNC 기계는 임베디드 모션 응용사례에 적합한 특징을 두루 갖추고 있다. 그 특징이란 다음과 같다.

제어 및 기계에 대한 전문성. 증폭과 제어 기능을 탑재한 기계적 시스템을 통해 기존에는 수개월 동안의 실험 및 조심스러운 접근이 필요한 복잡한 극운동을 손쉽게 달성할 수 있다. 또한 Bell-Everman은 새 CNC 시스템을 구축하기 위한 정렬 기술 및 도구를 개발했다.

작은 설계 및 쉬운 통합. 데스크탑 크기의 CNC 기계는 공간을 적게 차지한다는 이점이 있다. ServoBelt 로터리 설계는 관통 구멍을 크게 방해하는 요소가 없으며, 따라서 공간을 효율적으로 사용할 수 있다. 100㎜ 직경의 구멍을 통해 스핀들로 원활하게 공기 공급을 실현하며, 제품 측면에 자료 및 재료 색인을 통합하고 필요한 전원을 모두 연결한다.

비용 절감. 임베디드 모션 시스템의 재밌는 점 중 하나는 필요한 만큼만 복잡하다는 것이다. 다시 말해 필요 이상으로 복잡한 설계는 아니라는 뜻이다. 임베디드 모션 시스템에 필요한 주요 기능은 표면 마감에 집중하는 것이지 위치결정 정도에 대한 것이 아니다. 적어도 Bell-Everman이 판단하기에는 위치에 대한 요구사항이 대단한 것은 아니다. 따라서 Bell-Everman은 직독 인코더를 포기하고 개회로 방식으로 전체 시스템을 구동한다. 이를 통해 사용자는 각 기계당 수천 달러나 되는 비용을 절약한다.

임베디드 모션과 함께 시작하기

기존 모션 시스템에서 갑자기 임베디드 모션 시스템으로 변경하는 것은 임베디드 모션 시스템을 맹신(盲信)하는 것처럼 보인다. 이런 오명을 벗기 위해서는 자사의 모션컨트롤 시스템 구축을 외부 업체에 위탁하는 편이 좋다.
 

외부 업체에 위탁하면 적은 돈으로도 안정성과 성능이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있다. 다소 높은 비용은 품질 보증과 충분한 시운전 및 실험 그리고 즉시 작업에 투입할 수 있다는 점 등을 통해 충분히 상쇄할 수 있다.

  관성부조화를 뛰어넘는 경험

임베디드 모션 시스템을 도입함으로써 기계계(機械系)의 동적 수준을 상당히 높은 수준으로 향상시킬 수 있다.
 

예를 들어 관성부조화를 고려한다고 가정하자. 경험을 통해 일반적으로 실제 하중의 관성(Payload Inertia)과 모터 관성 비율을 20:1 이하로 유지해야 한다고 알고 있다. 이 규칙은 한데 묶인 증폭기와 모터 콤보를 사용하면서 게인을 사전에 조절할 경우 사용자를 곤경에서 벗어나게 해준다.
 

물론 이 경험에 근거한 규칙을 무시한 채 200:1 혹은 이보다 더 큰 관성부조화 비율을 가지고 완벽하게 관리할 수 있는 시스템을 만들 수 있다. 지금까지 Bell-Everman이 만든 로터리 테이블의 가장 큰 관성부조화 비율은 4600:1이다. 오버슛 없이 정확히 90°를 인덱싱 이동할 수 있다.
 

우리는 20:1이라는 관성부조화 비율을 어기지 않는다. 하지만 만약 관성부조화 비율을  뛰어넘는다면 모터 크기를 줄일 수 있을 뿐 아니라 모션 서브시스템을 구축하는 비용과 복잡성 역시 줄어든다.
 

이런 규칙을 뛰어넘기 위해서는 추가적인 엔지니어링적 수고가 필요하다. 미리 설정해둔 게인과 변경하고자 하는 값을 서로 비교해야 하는 것. 또한 튜닝 게인을 동적으로 변경하고 이를 실제 실험결과와 비교해 유효성을 입증해야 한다.

모션 시스템의 간접비용

부품을 조합해 만든 모션 시스템은 여러 숨겨진 비용을 가지고 있다. 임베디드 모션 방식을 채택함으로써 이 간접비용을 없앨 수 있다.

타임 투 마켓 비용(제품 개발부터 시장에 내놓기까지 드는 모든 비용). 임베디드 모션 시스템은 동시병행설계를 가능케 함으로써 전체 기계가 만들어지기까지 걸리는 시간을 수 주 내지 수 개월까지 줄인다.

프로그램·상품·재료 관리비용. 임베디드 모션 시스템은 재료사양서가 한 장만 필요하므로(이는 여러 업체로부터 다양한 부품을 따로 구입할 필요가 없다는 뜻. 편집자 주) 수백 개나 되는 부품들을 주문·재고 관리·조립할 필요가 없다.

생산비용. 정밀 모션 시스템은 노련한 조립 기술자 및 특수 생산 설비가 필요하다. 이는 자연히 비용 상승이라는 결과로 이어진다.

제품 품질 보증 및 손실비용. 임베디드 모션 공급업체는 장치 품질을 보증함과 동시에 고장이나 실패가 일어나지 않도록 적극 지원한다. OEM 제품을 사용했을 때 일어날 수 있는 위험을 줄여주는 셈이다.