MOOG의 전동 서보 액추에이터를 적용한 대안 내구성 시험 시스템

자동차 산업의 시험 엔지니어들은 수많은 피로 시험과 내구 시험을 위한 도구가 필요하다. 일반적으로 지금까지 유압 시스템이 주로 사용되었지만, 이를 전기 시스템이 대체하고 있다.

크레이그 루콤스키(Craig Lukomski): Moog Inc. 엔지니어링 매니저

자동차 산업의 피로 시험 및 내구 시험을 위해 일반적으로 유압 시스템이 주로 사용된다. 자동차 메이커들은 경쟁 우위를 차지하기 위해 비용을 낮추는 방법으로 경제적인 해법을 찾고 있다. 또한 자동차 제조사 시험 연구소의 책임자들도 시험 시스템의 높은 가동률을 보장받기 위해 노력한다. 기타 OEM들도 계획에 없는 다운타임과 정비 작업을 줄이는 것(또는 없애는 것) 또한 기한을 준수하는 데에 유리하게 작용한다. 이러한 모든 요소들이 유압 시스템을 선택하는데 주요한 요소로 작용했다. 하지만 최근 몇 년간 전기식 시험 시스템이 발전을 거듭하여 유압식 시험 시스템을 따라잡고 있다.

시험 시스템의 정비 필요성 낮추기

자동차 산업의 시험 엔지니어들은 복잡한 인프라, 높은 정비 필요성, 유압 시험 시스템에 의한 누출 위험을 없애고자 노력한다. 시험 시스템 운영자들도 기술을 업그레이드하거나 용량을 늘리기 위해, 유압 시스템과 관련된 번거로운 절차나 안전 문제 등 일련의 요소를 서로 비교한다. 일부 시험 연구소와 자동차 제조사는 새로운 직원들이 유입되면서 유압 시험 플랫폼의 요건과 정비 필요성 때문에 어려움을 겪는 것으로 확인되었다. 일부 작업자들은 유압 시스템을 실제로 다뤄본 경험이 별로 없기 때문에 다운타임 시간이 길어지는 것으로 나타났다.

시험 책임자들은 시스템이 시험 대상에 주기적 부하를 안정적으로 생성할 수 있는지 확인한다. 최근 Volkswagen 상하이는 복잡한 냉각탑, 필터, 실, 특수 펌프에 대한 정비 비용이 갈수록 증가하고 있는 상황에서, 자사의 노후화된 유압식 시험 시스템에 의문을 갖기 시작했다.

Volkswagen 상하이의 시험 엔지니어들은 시트 어셈블리 강도를 점검하기 위해 그동안 유압 시험 시스템을 사용하였다. 최근에 EMATS(전기 다축 시험 시스템)을 설치하여 기존 유압 시스템과 시험 결과를 비교하였고 다음과 같은 사실을 확인하였다. 전기 시스템의 경우, 피드백 곡선이 더 매끈하게 나왔고, 특히 위치 피드백 정확도가 ±0.05mm 더 높은 결과가 나왔으며, 유압 시스템의 정확도는 ±1.00mm에 불과했다.

EMATS은 특히 플러그 & 플레이 기술 플랫폼이고, 유압유가 필요하지 않으며, 시험을 실시하는 경우에만 에너지를 사용한다. 따라서 비용이 절감되고 유압 시스템보다 깔끔하게 작동하였다. Volkswagen 상하이는 설치된 EMATS를 통해 이 전동 액추에이터는 비슷한 치수의 느리게 반응하는 유압 장치에 비해 개선된 구동 능력을 제공하고 서보모터를 채용하였기에 작동유 누유 등의 문제가 없는 전동 액추에이터를 갖추게 되었다.

시험 시스템의 전체 가동 비용 절감

일반적으로 서비스 수명이 10년 이상인 EMATS의 전체 가동 비용은 낡은 유압 시스템 가동 비용 보다 휠씬 낮다. 유압 시험 시스템은 유압유 냉각을 위한 펌프와 냉각기에 지속적으로 에너지를 공급해야 한다. EMATS는 시트 등받이나 다른 자동차 부품의 피로 시험을 실시할 때에만 전류를 사용하기에 에너지 소비가 현저히 낮다. 이러한 장점으로 인해 항공우주 산업을 위해 개발된 시뮬레이션 및 시험 시스템에 적용되고 있다. 이 시스템의 소비율은 유사한 유압 플랫폼 보다 80% 낮은 것으로 확인되었다.

연구소 책임자는 신뢰도 외에 시험 계획을 준수하고 수익성을 극대화하기 위해 유연성도 요구한다. 유압식 시험 장비를 이용하여 시트 등받이 시험을 셋업 하는 데에는 비용이 많이 든다. 액추에이터들이 시트 앞면을 누르고, 다른 액추에이터는 옆면과 등받이를 누르도록 구성해야 한다. 일반적인 유압 시스템의 경우, 시험 엔지니어가 장치를 구성 및 회전시키고 호스를 분리하고 재배치한다. 이때 작동유가 시편을 오염시킬 수 있다.

유압 시스템 또는 공압 시스템에 대한 대안

이 연구소 책임자는 Real-Time 컨트롤러와 서 보모 터 그리고 액추에이터로 결합된 기구부로 이동식 스테이지를 만들어 EMATS로 부품을 시험할 수 있다. 이 모든 구조물이 차지하는 공간은 5m³가 채 안 되었다. 전기 액추에이터를 새로 구성할 경우 전기 액추에이터를 뺀 후 시험 대상의 다른 위치에 다시 부착하면 되고, 2 ~ 3 시간이면 충분하다. 시험 엔지니어는 EMATS에 장착된 엔코더로 정밀하게 위치를 제어하거나 힘 제어 모드로 전환하여 시험을 실시하고, 매우 정밀하고 반복적으로 정확하게 작은 힘에서 큰 힘까지 제어할 수 있다.

하나 또는 그 이상의 전동식 서보 액추에이터를 적용한 이 시스템은 전통적인 유압 액추에이터 또는 공압 액추에이터에 대한 대안이 되고 있다. 전동식 서보 액추에이터는 모터 제어에 적합한 컨트롤 캐비닛과 Real-time 시험 컨트롤러가 있다. 인프라를 포함하여 펌프를 구매해야 하는 시스템을 새로 구축하는 경우, 전기 버전이 더 비용 효율적인 솔루션이다. 연구소나 시험 기관에 이미 유압 인프라가 있다면, 시험을 실시할 때에만 전류가 소비되기 때문에 전기식 시스템을 채택한 EMATS를 도입하는 것이 이익이 될 수 있다