서보프레스 101: 서보 자동화 기초 마스터하기

산업 자동화는 조립 작업에서 사용될 때 마법처럼 보일 수 있습니다. 다음 자동화 프로젝트에 도움이 될 기초를 배워보세요.

서보메커니즘은 21세기 자동화의 심장입니다. 기본 요소는 서보모터, 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 장치, 필요한 피드백을 제공하는 센서 제품군, 피드백 데이터를 명령 신호로 변환하는 컨트롤러, 구현 소프트웨어입니다. 이것이 고속, 정밀 조립 작업의 '마법'입니다. 기본 구성요소의 21세기 발전으로 서보 프레스는 게임 체인저 기술이 되었습니다.

이들은 단순히 빠르고 정밀할 뿐만 아니라 대형화되었습니다. 금속 성형 및 스탬핑 산업에서 서보 프레스는 최대 5,000톤(4,536미터톤) 용량까지 제공되며 더 큰 장치도 개발 중입니다. 이 프레스들은 엔지니어에게 공정 전체 스트로크 동안 힘, 속도, 위치를 실시간으로 정밀 제어할 수 있게 함으로써 공정 설계 접근 방식을 바꾸고 있습니다.

30년 전, 업계 선구자들은 정밀 볼스크류와 서보모터, 로터리 인코더, 로드셀을 결합해 조립 작업을 위해 특별히 설계된 최초의 전자식 기계 조립 프레스(EMAP)를 만들었습니다.

성공적인 초기 도입자들

초기 도입자들은 조립 중 공정 파라미터를 측정하는 능력이 알려진 좋은 사이클의 힘/위치 '시그니처(Signature)'와 각 작업의 시그니처를 비교하고 프레스 파라미터를 실시간으로 조정해 복제할 수 있게 함으로써, 제품을 말 그대로 '복제(Clone)'할 수 있게 했다는 것을 발견했습니다. 이 기본 개념은 단순한 리베팅부터 고가 전자제품 설치까지 수백 가지 조립 애플리케이션에 사용되었습니다. 몇 가지 예시입니다.

유니버설 조인트 조립: 카단형 유니버설 조인트에는 한 쌍의 U자형 암에 프레싱으로 베어링 컵을 암의 구멍을 통해 통과시켜 '스파이더(Spider)'라 불리는 센터 크로스의 가공된 저널을 포착하는 구조가 있습니다. 조립 후 베어링 컵은 제자리에 고정하기 위해 암에 스테이킹(Staking)됩니다.

도전 과제는 베어링 컵이 프레스되어 스테이킹되는 동안 스파이더를 암 중앙에 유지하는 것입니다. 이는 한 쌍의 EMAP이 각 베어링 컵에 삽입되는 동안 동일한 힘을 가하도록 동기화되어 달성됩니다. 컵이 제자리에 놓이면 스파이더는 정확히 중앙에 위치하고, EMAP들은 동시에 스테이킹 작업을 수행합니다. 스파이더의 대향 다리에 동일한 힘이 가해지므로 중앙을 유지하고 결과는 매번 좋은 조립입니다.

이 애플리케이션이 작동하는 이유는 EMAP들이 작업 중 모니터링되고 제어기에 의해 힘과 위치가 실시간으로 조정되기 때문입니다. 전체 공정 데이터는 품질 보증을 위해 캡처되고 저장되어 각 조립에 대한 100% 추적성을 제공합니다. 그 데이터는 조립되는 부품의 이상을 식별하고 수정하는 데도 유용해 공급망 전체 품질과 조립 공정 모두를 개선합니다.

의료용 카테터 조립: 핵심 작업은 유연한 카테터 부분에 연결된 큰 튜브에 소구경 금속 튜브를 부착하는 크리핑(Crimping) 공정입니다. 크림프가 완벽하지 않으면 당길 때 분리되거나 튜브를 완전히 막아 카테터를 무용지물로 만듭니다. 약간 더 큰 튜브에 작은 금속 튜브를 일관되게 크리핑하는 것은 기념비적인 도전이었습니다.

카테터 크리핑 작업에서 일관된 품질을 유지하는 열쇠는 가해지는 힘의 양과 크리핑 툴의 정확한 위치를 동시에 모니터링하는 것이었습니다. 알려진 좋은 작업의 두 파라미터가 캡처되면, 힘/위치 '시그니처'가 후속 작업을 측정하는 벤치마크로 사용되었습니다.

외부 위치 트랜스듀서가 장착된 EMAP 기반 크리핑 스테이션으로 카테터 크리핑 작업을 수행합니다. EMAP은 반복 가능한 크리핑 힘을 제공하고 트랜스듀서는 툴링을 모니터해 크림프가 너무 얕지도 깊지도 않게 합니다. 결과는 생산된 모든 카테터에 대한 100% 인장 테스트 인증과 현장 크림프 실패의 사실상 제거입니다.

리벳 볼 조인트 조립: 자동차 볼 조인트 어셈블리는 일반적으로 리벳으로 상하 컨트롤 암에 부착되는 안전 크리티컬 부품입니다. 세 가지 가능한 실패 모드가 있습니다: 1) 리벳이 너무 길거나 짧음, 2) 리벳이 너무 단단하거나 부드러움, 3) 리벳이 완전히 누락됨. 조립이 안전 크리티컬이므로 전통적으로 100% 리베팅 후 검사가 수행되었습니다.

전통적 유압 프레스 대신 EMAP 기반 시스템을 사용하면, 수행 중인 공정을 모니터링하고 '시그니처'를 알려진 좋은 작업과 비교함으로써 100% 검사 요건을 없앨 수 있습니다. 세 개의 개별 로드셀이 툴링에 장착되어 각 리벳에 가해지는 힘을 독립적으로 측정하고, 단일 위치 트랜스듀서가 램 이동 거리를 측정합니다. 너무 단단하거나 부드럽거나, 너무 짧거나 긴 리벳, 홀 직경 같은 공차 외 세부사항도 시그니처에 뚜렷한 변화를 만듭니다.

이 시스템은 긴/짧은/단단한/부드러운/누락된 리벳 감지, 모든 조립 100% 인증, 내장 데이터 수집, 모든 생산 부품의 힘과 위치 데이터 기록을 실시간 공정 사이클 중에 제공합니다. 결과는 일관되고 정확하며 추적 가능해, 품질 보증을 위해 모든 부품에 대한 사후 공정 검사가 더 이상 필요하지 않습니다.

기초를 넘어

초기 도입자들이 EMAP 기반 시스템이 생성하는 상세 공정 데이터가 '시그니처' 비교와 조립 '복제'를 훨씬 넘어서는 용도가 있음을 깨닫는 데 오래 걸리지 않았습니다. EMAP 공급업체들도 더 진보된 애플리케이션을 지원하기 위해 하드웨어와 소프트웨어 역량 강화에 바빴습니다.

이러한 발전을 활용한 첫 애플리케이션 중 하나는 자동차 컨트롤 암 조립이었습니다. 이 제품은 적절한 기능을 위해 기하학적 정밀도가 필요하지만, 매우 엄격한 공차로는 경제적으로 생산할 수 없는 구성요소로 만들어집니다. 컨트롤 암은 고무 부싱이 프레스되어 장착된 헤비듀티 스탬핑 또는 주물로 구성되며, 이는 극한의 치수 정밀도 후보가 아닙니다.

자동차 엔지니어들이 일반적으로 하는 것은 조립에 필요한 지오메트리를 정의하고 '어떻게 달성할지' 부분은 공급업체 몫으로 남겨두는 것입니다. 공급업체들은 이를 '팬텀(Phantom)' 치수라 부르며, 다양한 산업에서 꽤 흔합니다.

'팬텀' 치수 사양을 충족하는 전통적 접근은 정밀 툴과 지그를 만들고 부품의 끊임없고 예측 불가능한 변동을 다루기 위해 지속적으로 조정하는 것입니다. 다른 공급업체는 '프레스 앤 호프(Press and Hope)', '측정 앤 선별(Measure and Sort)'을 선택해 스크랩과 재작업 비용을 감수합니다. 이 과제를 EMAP 기반 시스템으로 해결하려면 프레스에 통합된 로드셀 외 추가 센서를 처리하기 위한 고급 소프트웨어가 필요합니다. 조립은 두 개의 EMAP과 두 개의 디지털 프로브로 수행됩니다. 이 프로브들은 탄력 있는 부싱이 설치 중 휘어지기 때문에 정확한 위치를 알기 어렵기 때문에 필요합니다. 프로브들은 기계와 로드셀 변형도 보상합니다.

컨트롤 암을 조립하려면 부싱을 초기 위치로 프레스하고, 힘을 제거한 뒤 디지털 프로브로 위치를 측정합니다. 한 부싱은 볼 조인트 상대적 치수로 프레스됩니다. 프로브가 위치를 측정해 컨트롤러에 피드백하면 컨트롤러가 프레스에 얼마나 더 프레스할지 지시합니다. 이 시퀀스는 부싱이 제자리에 놓일 때까지 반복됩니다. 다른 부싱도 같은 설치 시퀀스를 사용하지만 첫 번째 부싱 상대적 치수로 프레스됩니다. 이것이 '팬텀' 치수이며, 시스템은 컨트롤 암과/또는 부싱의 변동과 관계없이 효율적이고 반복적으로 달성할 수 있습니다.

위에서 설명한 시스템은 구성 부품의 치수 사양 변경 없이 조립하는 컨트롤 암의 기능적 품질을 크게 개선합니다. 사실 그 구성 부품들의 공차를 느슨하게 해 제조 비용을 줄여도 완제품 기능 품질에 영향이 없을 수 있습니다. 기능은 소비자의 품질 척도이며, 컨트롤 암 시스템이 개척한 지능형 조립으로 제조사의 척도도 될 수 있습니다.

성숙한 기술

지능형 조립 애플리케이션이 확산됨에 따라 이를 가능하게 하는 하드웨어와 소프트웨어 시스템도 발전했습니다. 오늘날 EMAP은 0.2kN~500kN 힘 출력 범위로 제공되며 광범위한 내장형 및 외부 센서 장착이 가능합니다. 시스템 빌더용 개별 구성요소, H-프레임 프레스, 최종 사용자용 유연 독립 워크스테이션으로 제공됩니다.

혁신적인 엔지니어들은 EMAP을 로봇 엔드 이펙터로 쓸 수 있을 만큼 가볍게 만들었고, 심지어 인간 휴대용 모델도 나옵니다. 두 제품 모두 프레스를 부품에 가져가는 애플리케이션용으로, 프레싱 작업의 반작용 힘이 로봇이나 인간 조작자에게 전달되지 않음을 의미합니다.

프로메스(Promess)가 로봇 애플리케이션용으로 개발한 솔루션 중 하나는 통합 백스톱(Back stop)을 포함한 로봇 프레스입니다. 작동 중 로봇이 프레스를 부품에 위치시키고 툴링이 결합됩니다. 로봇은 두 축에서 프리 플로트(Free float) 상태가 되어 위치를 유지하면서 세 번째 축에서 프레스 움직임을 수용하다가 프레스가 통합 백스톱에 도달하면 멈춥니다. 프레스 움직임은 완전히 프로그래밍 가능하며 프레스는 지능형 조립 작업을 지원하기 위해 힘과 위치 센서를 장착할 수 있습니다.

선형 EMAP/회전 액추에이터 콤보

또 다른 트렌드는 조립 중 기능 테스트를 용이하게 하기 위해 선형 EMAP과 회전 액추에이터를 결합하는 것입니다. 예를 들어 자동차 후드 래치(Latch)가 EMAP으로 리베팅 조립되는 동안 리벳이 피닝(Peening)될 때 래치가 작동되고 필요한 힘이 지정된 수준에 도달할 때까지 지속 측정되며, 그때 공정이 중단됩니다. 이 공정은 리벳이나 스탬핑의 변동과 관계없이 균일한 작동 힘을 가진 래치를 생산합니다. 유사한 시스템으로 자동차 시트 래치, 플라이어 조립, 자동차 디퍼렌셜의 기어 백래시 부하 하 확인 등에 사용됩니다.

이 모든 애플리케이션은 실시간으로 다중 데이터 입력을 처리하고 통합하며 필요한 서보 명령을 생성하는 정교한 컨트롤러와 소프트웨어에 의존합니다. 컨트롤은 이제 플래튼 프레스의 코너를 구동하는 다중 EMAP을 동기화해 하중이 균일하지 않아도 각자가 플래튼을 평행하게 유지하는 데 필요한 힘을 생성하는 능력을 갖추고 있습니다.

컨트롤 소프트웨어는 하드웨어와 함께 진화했고, 오늘날 시스템은 몇 년 전 선배들보다 훨씬 프로그래밍하기 쉽습니다. 공급업체들은 프로세스를 전문 제어 엔지니어가 필요하지 않을 정도로 단순화하는 시스템에 상당한 시간과 인재를 투자했습니다.

EMAP 기술이 성숙함에 따라, 지능형 조립과 치수 사양이 아닌 기능 사양에 맞춘 조립 개념이 광범위한 산업에서 점점 더 실용적이 되었습니다. 성숙함이 정체를 의미하지는 않습니다. 이 기술은 수십 년, 경우에 따라 수세기 동안 제조업체를 괴롭혀온 과제들에 진정으로 혁신적인 솔루션을 가능하게 하며 계속 성장하고 있습니다.