두꺼운 판재를 뚫는 YASKAWA 파워 패키지

목공 기계는 드릴링 속도가 처리 시간에 결정적인 영향을 미치고, 많은 구멍을 정확하게 뚫어야 한다. 이와 관련하여 개선할 수 있는 잠재력이 많이 남아 있다. 여기에 우수한 구동 장치를 장착한 고속 드릴링 유닛을 이용할 수 있다.

공학 박사 우베 골드혼(Uwe Goldhorn): Yaskawa Europe GmbH 드라이브 모션 컨트롤 부문 키 어카운트 매니저,

엘렌 크리스틴 라이프(Ellen- Christine Reiff): 슈투텐제 사무국 전문 저널리스트

핵심 내용

  • Tool Drives는 목재 가공을 위해 구멍을 신속하고 정밀하게 뚫는 고속 드릴링 유닛을 제공한다. 이 유닛에는 특수한 구동 기술 요소가 필요하다.
  • 이 프로세스를 위해 개발한 스핀들은 강력한 PM 모터와 모션 컨트롤러 그리고 적합한 출력을 지닌 인버터를 이용한다.
  • Yaskawa의 구동 시스템을 장착한 이 드릴링 유닛은 새로운 가공 기계에 장착할 수 있고 기존 시스템에 추가할 수도 있다.

드라이브 전문 업체 Tool Drives가 목재 가공 분야에서 고속 드릴링이 어떤 일을 할 수 있는지를 선보였다. High Speed Drilling Unit 100이 코팅된 샌드위치 패널에 단 17초 만에 직경 6mm, 깊이 6mm의 구멍 100개를 정밀하게 뚫는다. 이때 드릴 커터는 최대 18,000min-1까지 회전한다. 드릴 커터는 패널의 여러 층에 맞추어, 커팅 가장자리와 구멍 내부 면이 매끈하고 깔끔하게 처리하는데 가공 속도뿐만 아니라 구멍의 품질도 중요하다.

“우리는 드릴링 프로세스를 연구하고, 특수한 피드 스핀들을 개발하여, 강력한 모터와 모션 컨트롤러를 통해 섬세하게 제어하면서 동시에 높은 힘을 달성하였습니다.”(폴커 마이어, Tool Drives 이사) 적합한 구동 요소를 선택하는 것은 결코 사소한 일이 아니다. 강력한 드릴링 드라이브를 위한 인버터는 1000Hz의 출력을 제공할 수 있어야 하며, 드릴링 드라이브인 영구 자석(PM) 모터도 제어해야 한다. “이 파워 패키지를 섬세하게 제어할 수 있어야 합니다.”(폴커 마이어)

서로 조율된 드라이브 요소들

그림 2: 드릴링 유닛에 사용한 인버터 A1000은 필요한 출력 주파수 1000Hz를 제공하고, 개회로 벡터 컨트롤의 1.5kW 파워로 작업한다.

Tool Drives는 고속 드릴링 시스템 설계에 적합한 인버터를 드라이브 기술 제조사 Yaskawa의 제품 중에서 찾았다. A1000(그림 2)은 필요한 출력을 제공하고, 벡터 컨트롤의 1.5kW 파워로 작동하며 일시적으로 공칭 파워의 최대 150%를 공급할 수 있다. 2020년 1월부터 어플리케이션의 옵션으로 신형 GA500/ 1000Hz도 이용할 수 있다. 하지만 이는 기술적 측면만을 보고 이 인버터를 선택한 것은 아니다. “우리는 자동화 전문 업체인 Yaskawa와 협력하고 있습니다. Yaskawa는 국제적으로 자리를 잡고 있으며 전 세계적인 지원이 가능하며, 목재 가공 분야에도 경험이 많습니다.” Tool Drives는 폭넓은 제품 포트폴리오를 통해 드릴링 유닛을 위한 다른 많은 부품도 Yaskawa에서 조달하고 있다. 드라이브 구성 요소들은 서로 정확하게 조정되어 있고 제어에 대한 요건을 정밀하게 구현한다.

드릴링 유닛에 사용하는 인버터뿐만 아니라 기본 축과 컨트롤도 모두 Yaskawa 제품이다. Yaskawa의 MP 시리즈 올인원 기계 컨트롤은 하나의 플랫폼에 기계 프로세스에 필요한 모션과 PLC 기능, 입력 및 출력, 직렬 로직 및 프로세스 알고리즘과 같은 기능을 포함한다. 컨트롤러 통합은 시스템 비용을 낮추고, 성능은 높여 컨트롤 캐비닛 내에서 공간을 적게 차지하고 프로그래밍을 단순화한다.

모션 어플리케이션을 위한 규모 가변적인 하드웨어는 축이 최대 64개인 복잡한 적용 사례에 적합하다. 앞서 언급한 적용 사례에는 드릴링 구멍을 위한 규정 값을 검증된 G 코드로 구현하였다. 소프트웨어 Motionworks IEC와 Yaskawa 툴 박스로 기계 컨트롤 프로그래밍이 수월하다. 이는 다섯 가지 프로그래밍 옵션, 래더 다이어그램(KOP), 기능 모듈 언어(FUP), 구조화된 텍스트, 지침 목록(AWL) 및 절차 언어를 하나의 개발자 패키지로 결합하고, 모션 컨트롤의 다양한 기능 블록이 담긴 라이브러리를 제공한다. 컨트롤러는 통합 웹서버를 이용하며 프로피 버스 또는 이더넷과 같은 국제 네트워크 프로토콜과 호환된다.

그림 3: 콤팩트 한 고성능 드릴링 유닛은 새로운 가공 기계에 장착하기에 적합할 뿐만 아니라 기존 시스템에 추가로 장착할 수도 있다.

드릴링 유닛을 추가 장착할 수도 있다

목공 분야 사용자들은 신속한 드릴링을 위해 자동화 전문 업체 간의 협업이 계속되고 있어 그 결과에 만족하고 있다. Tool Drives는 콤팩트한 고성능 드릴링 유닛으로 민첩한 기술을 제공한다. 이 유닛은 새로운 가공 기계에 장착하기에 적합할 뿐만 아니라 기존 시스템에도 추가 장착할 수 있다(그림 3). 이 고속 드릴링 유닛의 드릴링 드라이브는 X, Y, Z 방향으로 변위가 가능하다. 이 작업은 구조에 따라 Sigma-7 서보모터가 담당하거나 적합한 앰프(그림 4)를 장착한 리니어 모터가 담당한다. 서보 드라이브는 까다로운 포지셔닝 작업에 적합하고 작동 중 진동을 자동으로 억제할 수 있다. 또한 서보 드라이브는 긴 수명에 맞게 설계되어, 추가 냉각 없이 주변 온도 0 ~ 55°C에서 작동한다. 드릴링 드라이브의 피드 속도와 회전 속도 역시 같은 시리즈의 앰프를 통해 제어된다. “우리는 Sigma-7 듀얼 축 모듈을 사용합니다.”(폴커 마이어) 하나의 앰프를 통해 두 모터를 컨트롤함으로써 에너지가 절감되고 공간 소비가 줄어든다.

그림 4: Yaskawa의 콤팩트 한 Sigma 7 시리즈 AC 서보 시스템은 목재 가공 시스템뿐만 아니라 포장기, 반도체 제조 시스템 또는 디지털 인쇄기 등 많은 응용 분야에서 검증되었다.

고성능 드라이브를 밀링에도 사용할 수 있다

폴커 마이어는 모든 자동화 환경에 실질적으로 통합할 수 있는 이 드릴링 유닛의 사용 영역이 많다고 본다. “목재 가공과 창호도 가구 산업만큼 혜택을 볼 수 있습니다. 이 고성능 드라이브는 필요에 따라 밀링에도 사용할 수 있으며, 다른 사용 영역이 열려 있습니다.” 짧은 생산 사이클과 높은 처리량 그리고 뛰어난 정밀성은 목재 가공의 많은 분야에 바람직하다. 완벽하게 서로 조율된, 이 드릴링 유닛의 구동 요소들이 여기에 중대하게 기여한다.

직접 구동 스핀들을 사용하다

Tool Drives GmbH & Co. KG은 2019년 1월 베스트팔렌 메데바하에 본사를 두고 설립되었다. 활동 범위는 특허 및 라이선스를 사용하는 CNC 고성능 건식 가공을 위한 공구 스핀들의 개발, 제조 및 마케팅이며, 그와 결부된 모든 활동도 겸한다. 이 신생 업체는 메데바하에서 Anfotec GmbH와 같은 공간을 사용하며 기존에 있는 프로세스와 인프라를 이용한다. 이런 전제 조건 하에서 Tool Drives는 사업 활동을 시작하였고 서비스 업무 외에 점차 새로운 프로젝트를 진행한다. 메카트로닉스 시스템 키트의 모듈성을 이용하여 흡음 보드, 윈도우 또는 가구용 가공 기계에 적합한 솔루션을 구현하였다.