나모미터 크기의 움직임을 안내하는 리니어 가이드 시스템

로봇이 100nm(나노미터) 규모의 눈에 거의 보이지 않는 동작을 할 수 있다는 것은 상상하기가 어렵다. 이 크기보다 사람의 머리카락이 700배 더 굵다. 하지만 이 같은 사실이 현실이라는 것을 한 용접 로봇이 증명하였다. 이 로봇의 이러한 정밀함 뒤에는 곡선 형태의 리니어 가이드 시스템이 있었다.

알렉산더 멘드(Alexander Mend): Hepcomotion Deutschland 영업 이사

하루를 시작하면서 그리고 하루를 마무리하면서 수십억 명의 사람들이 이메일과 전화로 의사소통을 한다. 전세계에서 이루어지는 데이터 전송은 대부분 유리 섬유를 통해 광속으로 이루어진다. 이제는 이러한 사실을 모두가 아는 개념이 되었다. 그에 비해 I/O 변환기는 잘 모르는 경우가 많다. 각설탕 크기의 이 구성품은 다이오드 레이저로 전화기 마이크의 전자기 펄스를 광학 펄스로 변환시키고 유리 섬유로 보내어, 광 데이터 전송을 가능하게 한다. I/O 변환기 제조는 정밀 용접 분야에 있어서 하나의 걸작품이다. 이를 위해서는 특수 시스템이 필요한데, 이 시스템을 제조할 수 있는 회사는 전세계에서 몇 개 안 된다. Nanosystec이 이에 속하는데, 독일 프랑크푸르트 암마인 근처에 있는 이 회사는 나노웰드라 부르는 용접 로봇을 개발하였다. 이 로봇은 주로 미국과 극동 아시아에 판매되고 있다. 

스테인레스 스틸 재질의 링 세그먼트는 강성이 높고 수명이 길다.

고정밀 정렬: 로봇의 움직임은 겨우 100NM 범위이다

이 시스템 중앙에 움직이는 로드 플레이트, 다이오드 레이저 그리고 유리 섬유가 정확하게 서로 정렬된다. 유리 섬유는 직경이 10 μm에 불과하며 다이오드 레이저는 정확하게 중앙에 위치해야 하기 때문에 움직임은 100nm 범위에서 일어난다. 비유하자면, 한 조각의 금속에서 1nm는 대략 네 개의 원자를 연결한 정도의 길이이다. 다시 말해, 사람의 머리카락은 100nm보다 약 700배 정도 두껍다. 정밀 포지셔닝이 이루어지는 즉시, 두 개의 레이저 용접 헤드가 움직이기 시작한다. 이 레이저 용접 헤드는 금속 슬리브로 둘러싸인 유리 섬유를 양측에서 용접심으로 고정한다. 여기서도 정밀성이 핵심적인 역할을 한다. “나노웰드를 구상할 때 어려운 과제 중 하나가, 레이저 시스템이 1/10의 수준으로 움직일 수 있는 가이드 시스템을 시장에서 찾는 것이었습니다. 공간을 절감하고 시스템을 보다 콤팩트하게 만들기 위해, X-Y 좌표계가 아니라 링을 이용하여 작업하고 싶었습니다.“ (귄터 훔멜트, Nanosystec CTO) 훔멜트는 영국 기업인 Hepcomotion(헵코모션)에서 해결책을 찾았다. 바이에른에 지사를 두고 있는 헵코모션은 1969년부터 리니어 가이드 시스템과 자동화 콤포넌트 개발에 특화된 기업이다.

레이저가 링 형태 가이드 시스템 위를 움직인다

헵코모션의 제품 포트폴리오에는 PRT2라 부르는 시스템이 있다. 이 시스템은 링과 링 세그먼트에 해당하는 제품 라인으로, 스테인레스 스틸 소재로 직경은 다양하다. 또한 직선 가이드 레일을 다양한 개방 및 폐쇄 레일 트랙과 조합할 수 있다. 나노웰드에는 네 개의 링 요소를 사용하였다. 너비가 44mm이고 곡선 형태로 로드 플레이트 위에 돌출되는 90도 세그먼트 두 개와, 바닥에 위치하는 너비 76mm의 또 다른 90도 세그먼트 두 개이다. „레일은 강도가 뛰어나고 수명이 깁니다. 이러한 특성으로 인해 시스템 정비가 줄어들기 때문에, 이 레일이 당사의 경쟁 우위를 제공합니다“(귄터 훔멜트)

캐리지에 위치한 편심 롤러를 통해 나노미터 범위로 캐리지의 포지셔닝이 가득하도록 레일의 예압이 조정된다.

Nanosystec은 이 레일 시스템을 위해 자체적으로 캐리지를 개발하였다. 이 캐리지 위에서 레이저가 이동한다. 여기에 PRT2 시스템의 또 다른 구성요소를 사용하는데, 이른바 V 홈 피봇 베어링으로, 캐리지에 동심을 이루게 그리고 편심되게 정렬된다. 이 롤러는 유도 경화되고 내마모성을 갖춘 링 세그먼트의 V 레이스에 위쪽과 아래쪽에 맞물린다. „레일은 마모되고 캐리지 롤러의 예압이 편심 롤러를 통해 정확하게 조정됩니다.“ (칼 크리스티안 바움가르텐, Hepcomotion 컨설팅 엔지니어)

레일의 외부 기어링에 맞물리고 캐리지 모터의 힘을 레일에 전달하는 피니언이 모션을 책임진다. „레이저 용접 헤드는 수직으로 최대 70°의 각도로 아래로 떨어집니다.“ (귄터 훔멜트) 이 시스템을 고객의 주문에 맞추어 수평방향 포지셔닝도 가능하도록 더 넓은 캐리지에 설치할 수 있다. 캐리지는 바닥 위에 설치된 76mm 너비의 링 세그먼트 위에서 움직인다. 또한 오랜 시간 경과한 후에도 정밀한 모션이 가능하도록, 헵코모션은 V 홈 피봇 베어링에 영구 그리스 장치를 장착하였다.

위험한 용접 변형을 최소화하다

나노웰드는 최대한의 정밀성을 보장한다. 포지셔닝을 할 때 반복 정확도가 100nm 미만이다. 귄터 훔멜트의 말이다. “사용자가 매일 한 가지 버전의 구성품을 용접하려면 이 시스템의 용접 각도는 0.1°로 정확하게 조정할 수 있습니다.“ 그렇지 않으면 구성품의 기능에 이상이 생긴다. „용접하는 즉시 약 1,600°C의 작은 용융 구덩이가 생깁니다. 이것이 굳으면 이른바 용접 변형이 생기는데, 용접 변형은 다이오드 레이저와 유리 섬유의 포지셔닝을 틀어지게 만들 수 있습니다.“ 최적의 용접 각도만이 변형이 공차 범위 내에 머물도록 보장할 수 있다. 헵코모션 가이드 레일의 장점은, 모터로 구동되는 캐리지를 이용하여 용접 각도를 쉽게 조정할 수 있다는 점이다. 또한 이 프로파일 레일은 용접 헤드를 다른 기계적 서포트 없이 지지할 수 있다. „헵코모션의 가이드 시스템은 레이저에 맞는 모션 시스템을 링 트랙 위에서 실현할 수 있는, 저렴하면서도 가장 믿을 수 있는 솔루션입니다.  이 전에 고려했었던 다른 대안들은 너무 크고, 복잡했으며 가격도 고가였습니다.“

곡선 가이드는 적합한 비용으로 고도의 정밀성이 가능함을 보여주는 증거이다.

슈테파니 미헬(Stefanie Michel), 구동 기술 에디터