절삭 가공을 최적화하는 마그네틱 가이드 시스템

공작기계 제조사들은 품질과 생산성 그리고 가공 정밀도를 확장하기 위해 끊임없이 도전하고 있다. 여기에 베어링과 가이드가 사용되고 있으며, 특히 능동적인 자기 베어링이 많은 잠재력을 제공한다.

공학박사 베렌트 뎅케나(Berend Denkena): 하노버 라이프니츠 대학 제조 기술 및 공작기계 연구소(IFW) 소장 겸 교수 / 공학박사 벤야민 베르그만(Benjamin): 동 연구소 기계 및 제어 시스템 담당 / 공학석사 틸만 브뤼에(Tilman Brühe) / M. Sc. 루돌프 크뤼거(Rudolf Krüger) / 얀 필립 슈미트만(Jan-Philipp Schmidtmann): 동 연구분야 연구원.

핵심 내용

  • 기계 제조 분야에 기계식 가이드 시스템이 오래전부터 자리를 잡고 있지만 전자식 가이드를 교체하면 상당한 장점이 제공된다.
  • 하노버 라이프니츠 대학의 연구원들이 전자식 가이드를 연구하고 공작 기계의 전형적인 구성 요소를 전자기 방식으로 교체했다.
  • 결과적으로 동역학이 크게 향상되었고 절삭 정밀도가 증가하였다.

베어링과 가이드는 공구와 공작물 사이의 이동성을 제공하며, 기계의 정확도와 동역학을 결정한다. 특히 가이드의 대안으로 능동적인 자기 베어링이 높은 잠재력을 제공하며, 그림 1은 베어링의 기능 원리를 잘 보여준다. 전자석이 각 코일 전류에 따른 힘을 생성하고, 이 힘은 에어 갭을 통과하는 기계의 구성요소에 작용한다. 에어 갭 너비는 지속적인 비접촉인 비전 방식으로 측정한다. 제어 시스템은 에어 갭에 따라 안내되는 기계 구성요소가 일정 간격을 두고 공중에 떠서 배치되며 코일 전류를 통해 자력을 조정한다.

하노버 라이프니츠 대학 생산기술 및 공작기계 연구소(IFW)는 수년 전부터 실제에 가까운 조건으로 전자기 가이드를 연구하고 있다. 이 과정에서 마그네틱 가이드의 많은 장점을 확인하고, 완전히 새로운 기계 컨셉트를 구현하였다. 여기에서 마그네틱 가이드의 가능성을 보여주는 4가지 실제 사례는 다음과 같다.

로터리 테이블을 위한 무제한 속도

자유 곡면 제작에는 로터리 테이블을 적용한 5축 공작기계가 필요하다. 테이블의 일반적인 YRT 구름 베어링에서 발생하는 마찰은 속도를 제한하지만 마그네틱 가이드는 마찰이 없어 속도는 드라이브에 의해 제한한다. 또한 회전하는 테이블은 역학적으로 정밀 배치되고, 힘 흐름에서 댐핑이 조정되어, 밀링/터닝 가공에서 생산성이 높아진다. 마찰 토크를 계수 100만큼 줄일 수 있는 점도 플러스 요인이다. 플로팅에 필요한 전기 에너지가 속도가 1000min-1을 넘을 경우 YRT 구름 베어링 마찰 토크를 극복하는 에너지보다 적어 테이블에 열이 발생하지 않아 정밀도도 높아진다. 함께 프로젝트 ‘제품 재생에 사용하기 위한 마그네틱 마운트 로터리 테이블’의 일환으로 Siemens와 MAG IAS가 직경 500mm의 로터리 테이블 프로토타입을 연구 개발하여, YRT 구름 베어링을 전자석이 12개인 마그네틱 베어링으로 대체하였다(그림 2).

그림 2: 마그네틱 마운트 로터리 테이블의 구조 원리

이러한 개발로 테이블 위치를 약 ±0.3mm의 정확도로 조정할 수 있게 되어, 회전 축을 조정하여 원통형 부품을 미세 조정하는 것은 이제 옛말이 되었고, 이제 자기 베어링의 힘을 확인하여 공작물의 무게 중심을 도출하고, 클램핑 또는 밸런싱을 신속하게 수정할 수 있다. 알려진 바와 같이 로터리 테이블이 교환 가능하고 기존 시스템을 표준 하드웨어로 쉽게 변환할 수 있다.

정밀 절삭 시 많은 장점 제공

광학 표면과 정밀 부품을 가공할 경우 높은 정밀도로 인해 기계적 역동성을 제한하여 생산성이 떨어진다. 하지만 이런 경우에 마그네틱 가이드 시스템이 생산성 증대를 위해 많은 잠재력을 제공한다. 앞서 언급했듯이 마찰이 없고 위치 정확도가 높아 강성과 댐핑이 우수한 상태에서 이동 속도도 거의 무제한이기 때문에 문제 해결에 도움이 된다. 능동적 가이드 시스템의 위치 정확도는 에어갭 측정을 위한 통합 센서에 의해 결정된다. 또한 가속 중에 발생하는 틸팅 모멘트와 같은 동적 장애를 사전에 효과적으로 제어할 수 있다. 이러한 개선 가능성을 실질적으로 조사하기 위해, IFW의 연구 그룹 ‘Ultra-Precision High Performance Cutting’에서 전자기적으로 안내되는 메인 이송 축을 갖춘 고유한 2축 포지셔닝 시스템을 제작하였다(그림 3).

그림 3: IFW[a]의 초정밀 크로스 테이블. 그림 [b]는 테이블 안에 있는 전자기 리니어 가이드 구조

에어갭 측정에는 고정밀 정전 용량 센서를 사용한다. 이송 운동은 광학식 리니어 스케일과 연동하여 철이 없는 리니어 모터를 사용한다. 자체 개발한 전자석을 제외하면 파워 일렉트로닉스 부품과 측정 기술 및 제어 하드웨어에 대해 쉽게 구할 수 있는 구성요소만 사용한다. 전자기로 안내되는 기계 축은 이송 방향으로 0.7μm의 절대적인 위치 정확도를 달성한다. 또한 플로팅 슬라이드는 이송 방향과 직각을 이루며 0.3μm 미만의 정밀도로 배치되고 2μrad 미만의 오차로 메인 축을 중심으로 회전한다. 따라서 임의의 이동 경로 상에서 시스템으로 인한 직선성 및 경사각 오류가 보상된다(그림 4).

그림 4: 절삭 시 전자기 리니어 가이드를 이용하여 롤각도 오류를 보상한다.

평균적인 직진성 오류는 1μm 이하이고 평균적인 경사각 오류는 2μrad로 유지된다. 종래의 가이드 시스템에 비해 제작과 조립, 정렬 작업에 들어가는 수고가 줄어든다. 이미 언급한 규정 가속도를 바탕으로 틸팅 모멘트 사전 제어를 통해 플로팅 슬라이드의 동적 간섭 힘으로 인한 기울어짐을 75% 정도 줄일 수 있다. 따라서 절삭 정확도는 일정하게 유지되면서 높은 운동역학의 이점을 누릴 수 있다. 초정밀 절삭에서 일반적인 이송 속도는 300mm/min인 반면, 전자기로 안내되는 기계 축에서는 절삭 테스트 단계를 최대 6000mm/min이다. 이 테스트에서 표면 거칠기 값은 Sa < 40(산술적으로 평균적인 표면 특성 수준)를 달성할 수 있다.

마지막으로 연구 그룹 FOR 1845 ‘Ultra-Precision High Performance Cutting’(프로젝트 번호 211652309)의 일환으로 독일 연구 재단이 후원하는 ‘전자기 초정밀 리니어 가이드’ 프로젝트와, 독일 연구 협회(DFG) SFB 871 – 119193472의 후원을 받는 ‘제품 재생에 사용하기 위한 마그네틱 마운트 로터리 테이블’ 프로젝트의 재정적 지원에 감사드린다.