리벳팅 프로세스의 성능 개선

Broetje-Automation의 MPAC 리벳팅 머신의 제어 거동을 새로운 구동 시스템이 최적화하고 생산성을 최대 20%까지 개선하였다. 특징은 제로 공차와 뛰어난 비틀림 강성이다.

폴커 스프렝거: Wittenstein AG의 갤럭시 드라이브 시스템 판매 매니저, 마리오 뷔르거(Mario Bürger):  Alpha GmbH 북부 기술 사무실 판매 엔지니어
MPAC는 갤럭시 구동 시스템 덕분에 전환점에서도 모션 가이드가 정밀해졌고, 하부 다이의 포지셔닝도 약 30% 빨라졌다.
MPAC는 갤럭시 구동 시스템 덕분에 전환점에서도 모션 가이드가 정밀해졌고, 하부 다이의 포지셔닝도 약 30% 빨라졌다.

Broetje-Automation이 MPAC(Multi Panel Assembly Cell) 리벳팅 머신에 앵글러 기어로 사용하는 것과 같이 갤럭시 기어박스의 키네마틱이 지닌 특성 덕분에 비행기 기체와 비행기 부품의 전자동 리벳팅 시 성능을 높일 수 있다. 갤럭시는 기어휠 대신 48개의 개별 톱니를 사용하며, 이 톱니들은 2중 또는 3중의 다각형을 중심으로 그룹핑되고, 기어박스 중공휠의 내기어를 따라 안내된다. 모든 톱니가 토크 전달과 강성 형성에 동시에 관여한다. 또한 이러한 맞물림은 대수 스파이럴을 바탕으로 선 접촉이 아니라면 접촉으로 이루어진다. 이를 통해 갤럭시 키네마틱은 지금까지 Broetje-Automation이 MPAC 리벳팅 머시의 프로세스 가이드 A2 축에 조립한 것과 같은 헬리컬 커팅 유성 기어보다 지지 치면 면적이 최대 6.5배 더 커진다.

갤럭시는 최대 토크가 170% 더 높고, 과부하 안전성은 3배 높으며 중공 샤프트 직경이 70%  커서, 유사한 크기로는 달성할 수 있는 차원의 출력을 달성하며, 여타 기어 키네마틱의 퍼포먼스를 능가한다. “우리에게 갤럭시 키네마틱의 개선된 비틀림 강성과 교체 부하에서의 절대적인 제로 공차는 매우 중요한 일입니다.“ (공학박사 악셀 페터스, Broetje-Automation 부사장) “이를 통해 전환점에서도 모션 가이드가 확연히 정밀해졌고, MPAC 하부 다이의 포지셔닝도 약 30% 빨라졌고 리벳 사이클도 1분 당 18개에서 21개로 높아졌습니다.”

 

항공 우주 산업 생산 프로세스 전문가

올덴부르크 근처 비펠스테데에 위치한 Broetje-Automation GmbH는 36여년 전부터 국제적인 항공 산업의 파트너로서 활동하고 있다. 비행기 전체 구조의 리벳팅, 접합과 조립을 위한 기계와 설비를 주로 하는 핵심 사업에서 광범위한 서비스 포트폴리오를 만들었다. 이로 인해 Broetje-Automation GmbH는 리벳팅 기술을 뛰어넘어 자동화 제조, 탄소 섬유 강화 플라스틱 소재 부품의 제작과 가공 시스템, 로봇 응용과 프로세스 모니터링 이미지 처리 시스템 그리고 컨설팅과 서비스에 있어서 인정받는 파트너로 자리잡았다.

리벳팅 헤드 하부 다이에 갤럭시 앵글러 기어를 장착한 상태
리벳팅 헤드 하부 다이에 갤럭시 앵글러 기어를 장착한 상태

“우리 회사 솔루션은 전세계 민간 항공의 모든 비행기 프로그램에 사용되고 있습니다.“(페터스) 현재 Broetje-Automation의 MPAC 시스템이 유럽과 미국의 선도적인 항공기 제조사들과 이들의 납품업체들의 큰 관심을 받고 있다. “이 시스템은 수만개의 리벳으로 Airbus A380이나 Boeing 787 Dreamliner과 같은 기체 부품을 결합합니다.“(크리스티안 하이어스, Broetje-Automation 컨트롤 기술 매니저) 이 리벳팅 머신 시리즈는 유연성이 매우 높고 고객별 맞춤 디자인이 가능하다. MPAC 시스템은 일반적인 모든 기체 패턴에 속한 다양한 섹션의 거의 모든 쉘을 CAD 모델에서 바로 리벳팅할 수 있고 또한 극도로 정밀하다. “하부 다이와 리벳팅 헤드를 위한 다섯 개의 포지셔닝 축을 지닌 MPAC의 복잡한 말단 장치는 드릴링, 실링제 도포, 리벳 장착과 클린칭 시에 전자식으로 제어되고 센서로 감지되어 정확도가 ±0.1 mm 수준입니다.“(하이어스)

 

하부 다이(아래)와 리벳팅 헤드(위)를 지닌 MPAC의 말단 장치는 드릴링, 실링제 도포, 리벳 장착과 클린칭 시에 정확도가 ±0.1 mm 수준이다.
하부 다이(아래)와 리벳팅 헤드(위)를 지닌 MPAC의 말단 장치는 드릴링, 실링제 도포, 리벳 장착과 클린칭 시에 정확도가 ±0.1 mm 수준이다.

생산성 개선을 위한 최적화 잠재성

“Broetje-Automation은 최적의 솔루션을 추구하는 ‘혁신’이라는 기업 원칙 가운데 하나를 최신 세대의 MPAC에 실현하였다. “우리 회사는 MPAC의 A2축에서 백래시 감소를 통해 속도 증가, 축 역동성 상승 그리고 위치 정확성 증대를 추구하였습니다. 목적은 선회축 제어를 확연히 개선하고 하부 다이의 동작을 가속화하여, 전체 프로세스에서 생산성을 확실하게 개선하는 것이었습니다.“(하이어스)

비텐슈타인과 갤럭시 구동 시스템은 출시 초기 단계부터 시장의 주목을 받았다. “당시 전문화된 성능 데이터들을 보았을 때에, 새로운 앵글러 기어박스가 부하가 높거나 운동 방향 전환으로 플랭크가 바뀌는 경우에 특징적인 백래시와 강성면에서 유성 기어를 능가할 것으로 예상되었습니다.“(하이어스)

실질적으로 갤럭시는 부하가 낮을 때부터 직선적 진행을 통해 축 운동을 매우 정밀하게 제어할 수 있다. 치면이 전체적으로 맞물리는 것 외에, 이러한 직선성은 기어 서포트와 중공 기어의 내기어 간에 거의 차이가 없고 벤딩 길이가 거의 없기 때문에 가능하다.

이 외에 치면이 넓게 접촉함으로써 부하가 최대한 적절하게 분산된다. 톱니 스스로가 자체 배향과 내기어 내 맞물림을 최적화하기 때문에 갤럭시 키네마틱은 완벽하게 백래시가 없다. 동시에 유체 역학적 윤활 덕분에 둥근 톱니가 마찰 없이 기어 서포트 보어에 미끄러져 들어간다. 따라서 제로 백래시가 일정하고 지속적으로 유지된다. 갤럭시 키네마틱의 또다른 장점은 톱니 접촉 시 접촉 압력이 매우 낮기 때문에 속도가 높아도 소음 발생이 근소하다는 점이다.

갤럭시 구동 시스템에서는 개별 톱니와 새로 개발한 고성능 모터를 지닌 새로운 장르의 기어가 인더스트리 4.0과 연계되는 콤팩트 중공 샤프트 구동 유닛으로 융합된다.
갤럭시 구동 시스템에서는 개별 톱니와 새로 개발한 고성능 모터를 지닌 새로운 장르의 기어가 인더스트리 4.0과 연계되는 콤팩트 중공 샤프트 구동 유닛으로 융합된다.

아쉬웠던 위치 정확도를 개선하다

결론적으로 말하자면 갤럭시는 지금까지 부족했던 역동성과 위치 정확성에 촛점을 맞췄고, 이러한 점이 MPAC의 제어 특성과 성능 데이터를 확실하게 개선하였다. “이전에는 두 개의 리벳팅 지점 사이에서 1인치 이동하는 데에 1초가 걸렸는데 지금은 0.7초면 됩니다. 조만간 0.5초도 가능할 것입니다.“(공학박사 악셀 페터스) 이런 발전은 갤럭시를 통해 축의 운동 속도가 두 배로 빨라졌고, 가속도가 140% 증가하였으며, 가속 변경 속도는 250%가 향상되었기 때문이다.

개선된 성능에도 불구하고 갤럭시 구동 시스템은 짧은 톱니와 평평한 다각형 베어링을 바탕으로 구조가 매우 콤팩트하다. 유사한 중공 샤프트 기어는 토크가 같을 때 크기는 최소 두 배가 되어야 한다. 또 다른 장점은 갤럭시의 강력한 출력 베어링 덕분에 Broetje-Automation은 A2 축의 별도의 베어링을 사용하지 않아도 되며, 이로 인해 조립이 간단해지고 비용이 절감된다.