3D 서보 프레스를 측정 기술로 스마트하게 만드는 방법

현대식 모든 생산 시스템에는 많은 센서들이 탑재되어 있다. 이는 프레스에도 마찬가지이다. 전자 분야의 한 전문 업체가 서보 프레스를 업그레이드하면서 할 수 있는 것이 많다는 것을 확인하였다.

마틴 비취(Martin Witzsch): Janitza electronics GmbH 위임 자유 기고가.

핵심 내용

  • 우리는 디지털화와 네트워킹, 빅데이터 그리고 인공 지능의 시대에 살고 있다. 머시닝 센터와 선반, 프레스와 같은 전통적인 생산 시스템들도 갈수록 스마트해지고 있다.
  • 프레스에도 많은 센서들이 장착되어 있다. 이제 더 이상 업그레이드할 것이 없다고 생각할 수 있지만 그렇지 않다.
  • 한 전자 분야 전문 업체가 3D 서보 프레스에 많은 센서를 장착하였고, 이를 통해 부하 프로필과 전력 품질, 무효 전류 그리고 누설 전류에 대해 정보를 추출하고 있다.

현대식 대형 프레스에는 기본 사양인 센서들이 많이 장착되어 있다. 이를 통해 기계에서 무슨 일이 일어나는지 세부적인 사항을 바로 확인할 수 있지만, 부하 프로필이나 전력 품질, 무효 전류, 누설 전류 등에 대한 정보를 바로 얻을 수 없었다. 이런 변수들도 센서를 통해 기록하고 분석할 수 있다. 기계 내부 상황에 대한 데이터를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 다음 사례에서 알 수 있듯이 많은 장점들을 동반한다(그림 1).

프레스의 원리는 오랜 역사를 가지고 있다. 이 원리는 고대 로마시대의 포도주 압착기에서도 확인할 수 있다. 프레스는 증기 기관의 발명과 함께 금속 가공에서 널리 사용되기 시작하였다. 오랜 역사를 가지고 있는 이 기술이 더 이상 연구나 개발할 여지가 없다고 생각할 수 있지만, 다름슈타트 공과 대학의 생산기술 및 성형 기계연구소(PtU)는 그렇지 않다는 점을 확인하였다. 현재 이곳에 있는 3D 서보 프레스는 작동 중에 많은 일을 수행하고 있으며, 해당 서보 프레스도 빅토르 아르네, 알렉산더 브로이니히, 디르크 몰리토르 등이 관리하고 있다.

실룩거리는 것처럼 보이는 프레스

그림 2: 프레스 작동을 위해 총 8개의 드라이브가 필요하다. 빨간색 부분이 그 가운데 일부이다.

전통적인 프레스에서 램은 선형 동작으로 아래로 움직이고 어떤 경우에도 기울어지면 안 된다. 이는 3D 서보 프레스에서 일어나고 있으며, 램 자유도는 3가지이다! 선형 동작 외에도 피치와 롤 각도를 조정하고 제어할 수 있다. 즉, X 축과 Y 축(그림 1과 그림 3의 노란색 부분)을 중심으로 최대 3.5도 회전할 수 있으며, 이는 스트로크 중에도 동적으로 수행할 수 있다. 이는 램 위로 파도를 타는 것 같으며 이를 위해 8개의 드라이브가 필요하다.

3개의 회전식 시스템과 2개의 병진 시스템(그 가운데 일부는 그림 2에 있음)은 이와 별도로 제어할 수 있다. 마스터-슬레이브 개념에 따라 3개가 더 연결된다. 드라이브는 3개의 베어링 상자에서 작동한다. 스트로크는 개별 베어링 상자의 세 드라이브 모두가 Z 방향으로 평행하게 이동할 때 발생한다. 3개의 편심 드라이브는 약 160톤의 총 프레스 힘을 달성한다. 스핀들 드라이브는 힘 기어비와 거리 기어비를 담당한다.

이는 복잡하지만 장점이 있다. 가장 중요한 장점 가운데 하나는 프레스가 스트로크 중에 재료의 외란 변수에 반응할 수 있다는 것이다. 고품질 스트립 재료를 사용하더라도 배치마다 특성이 약간 다를 수 있기 때문이다. 코일 내에서도 가장자리에서 중간까지 또는 길이를 따라 부분적으로 불균일하다.

그림 3: 3D 서보 프레스 램이 최대 3.5°기울어질 수 있다는 점이 특징이다.

디크르 몰리토르의 설명이다. “우리는 반제품의 속성에 의해 결정되는 구성 요소 속성을 규제하고자 합니다. 이를 감지하는 것이 생산 기술의 주요 주제입니다. 불량의 주요 원인이 구성 요소 속성이기 때문입니다.” 특히 프레스에서 이러한 복잡한 운동학이 작동하고 힘이 다른 위치에서 흡수되기 때문에 힘의 적용 지점을 결정할 수 있다. 이는 강도 값과 같이 불균일할 수 있는 반제품의 특성과 관련이 있다. “힘 센서의 선형 동작 중에 기어의 한 면이 다른 면보다 무거운 것을 감지하면 이는 반제품의 특성 때문으로 볼 수 있습니다.”(디르크 몰리토르) 램을 기울이면 이러한 외란 변수를 수정할 수 있고 힘 적용 지점을 다시 중앙에 맞출 수 있다. 연구원들은 이후 재료에 대해 사전에 알지 못한 상태에서 가공 중에 반제품 특성을 식별하고자 한다.

정확한 텀블링 동작

또 다른 응용 프로그램은 다양한 텀블링 동작을 이용한 부피 성형이다. 원칙적으로는 순수한 선형 프레스로도 큰 블록을 처리하는 것이 가능하지만 힘이 훨씬 많이 든다. 일상적인 작업은 이것을 분명히 해야 한다. 이는 마치 페인트 뚜껑을 닫는 것과 유사하다. 일반적으로 꽉 끼는 캔 뚜껑을 일반인이 한 번에 눌러 닫을 수 없다. 하지만 뚜껑을 가장자리부터 시작하여 조금씩 누르면서 고정할 수 있다. 이 방법이 더 쉽고 도구가 필요하지 않지만 시간은 좀 더 소요된다.

3D 서보 프레스에 적용하면 훨씬 적은 가압력이 필요하다. 따라서 가볍게 만들고 경제적인 드라이브와 함께 사용할 수 있다. 이른바 펀치 홀 압연과 같은 새로운 공정도 가능하다. 구멍은 일반적으로 재료에 펀칭하고 텀블링 동작으로 넓어진다. 기존 프레스의 경우에도 작동 도구 또는 다단계 프로세스에서만 가능했다. 양산까지는 몇 년이 걸릴 것이다. 그때에도 선형 프레스가 여전히 대량 생산을 담당할 것이다. 하지만 유망한 응용 분야가 있다. “우리는 기본적인 것을 연구합니다. 하지만 제품이 점점 개별화되고 있기 때문에 자유도가 큰 기계에 대한 수요가 증가할 것입니다.”(디르크 몰리토르) 그는 연구원들이 프로세스를 훨씬 유연하고 경제적으로 만들 수 있다면 업계가 관심을 가질 것이라고 생각한다.

보다 매끄러운 정보 흐름

그림 4: 3D 서보 프레스에 설치한 Janitza electronics의 UMG 96-PA 타입 전력 분석기. 기본 값뿐만 아니라 계통 품질과 잔류 전류에 대한 정보를 제공한다.

3D 서보 프레스에는 포괄적인 센서 기술이 포함되어 있다. 그렇지 않으면 동적인 프로세스를 조절하는 것이 불가능하다. 처음에 언급했듯이 전력 소비와 같은 기본적인 전기적 값에 대한 정보가 부족했다. 이를 위해 전력 데이터를 측정하는 것이 아이디어였다. 이를 위해 전원 공급 장치에는 Janitza의 측정 장치가 장착했다. 예를 들어, 전류가 얼마나 높은지 또는 최대 경우에 얼마나 높을 수 있는지 확인하는 것이고, 역률과 무효 전류도 기록된다.

측정 장치를 사용하면 많은 것이 가능하다. 잔류 전류를 모니터링하고 전력 네트워크 품질을 확인할 수 있다. 드라이브용 인버터는 고조파를 생성하기 때문에 프레스에 영향을 미친다. 다름슈타트 공과대학 연구원들은 전력 분석기인 UMG 96-PA를 선택하여(그림 4), 로고프스키 코일을 공급 라인에 설치하였다. 로고프스키 코일은 협소한 조건에도 도체를 분리하지 않고 설치할 수 있다(그림 5). 측정 데이터는 새롭고 가치 있는 통찰력을 제공한다. 기존에는 드라이브에 직접 인가되는 전력은 알 수 있지만 드라이브 뒤로 연결되는 구성 요소를 지나 제어반까지 연결되는 경로는 알 수 없었다. 여기에서 드라이브의 역률과 상호 영향에 대한 정보가 중요하고, 누설 전류와 고조파 성분으로 인해 인버터의 영향이 있을 수 있다. 이때 측정 기술이 이 정보를 제공하여 투명성을 보장한다.

“이제 생산 라인에서 어떤 것이 나오고 품질이 얼마나 좋은지 알 수 있습니다. 또한 계통 운영자가 제공하는 것, 그리고 무엇보다도 드라이브와 실제 프로세스 사이에서 일어나는 일을 알 수 있습니다. 측정 데이터를 중복적으로 사용하고 작동 안정성을 높여 비용을 절감할 수 있습니다.”(빅토르 아르네)

그림 5: 로고프스키 코일은 협소한 곳에도 쉽게 추가 설치할 수 있다. 그림 중앙 위쪽 검은색 코일이 각 위상의 전류를 측정한다. 왼쪽 흰색 코일은 전류 전류를 측정한다.

그리고 UMG의 잔류 전류 모니터링은 업계와 동일한 규정이 프레스 작동에 적용되어 이점을 제공한다. DGUV V3는 4년마다 테스트하도록 규정되어 있다. 하지만 이 장치를 사용하여 연속적으로 잔류 전류를 모니터링하면, DGUV V3가 규정한 절연 측정을 하지 않아도 된다. 거대한 케이블과 민감한 전자 장치를 분리할 필요가 없기 때문에 Janitza 전문가를 투입해야 하는 노력도 최소화되고, 화재 방지 기능도 향상되었다. 예를 들어, 쥐와 같은 설치류가 케이블을 갉아먹는 경우를 생각할 수 있다. 습한 곳에서는 전류가 누설할 수 있지만 Janitza 측정 장치가 이를 체크하고 이메일을 통해 운영자에게 이를 알려준다.

현장과 전력망의 측정 데이터

전력 분석기의 또 다른 장점은 전력망 연결 옵션이다. Janitza 소프트웨어 ‘GridVis’와 조합하여 기록된 데이터를 종합적으로 평가하고 PC에서 시각화할 수 있다. “이제 컨트롤러에서 모든 것을 선택할 필요가 없습니다. 측정값을 csv 파일로 저장하여 데이터 분석에 활용할 수 있습니다.”(디르크 몰리토르) 이런 식으로‘크리핑 경향’을 확인하고 고장이 발생하기 전에 대책을 강구할 수 있다. 200 밀리 초의 샘플링 주파수는 프로세스에 대한 상세한 그림을 제공한다. 알렉산더 브로이니히가 측정 기술을 담당하고 있으며, 쉬운 작동법에 매우 만족했다. “소프트웨어와 인터페이스를 포함하여 모든 것이 직관적이기 때문에 장치를 빠르게 작동시킬 수 있습니다.” 이 전력 분석기는 PC에 연결하지 않고 제어반 디스플레이에 모든 데이터를 직접 제공한다.

그림 5: 로고프스키 코일은 협소한 곳에도 쉽게 추가 설치할 수 있다. 그림 중앙 위쪽 검은색 코일이 각 위상의 전류를 측정한다. 왼쪽 흰색 코일은 전류 전류를 측정한다.

앞으로 UMG는 제어 시스템에 더욱 통합될 것이다(그림 6). 데이터를 실시간으로 확인하기 때문에 PLC에서 결정을 도출하는 데 사용할 수 있다. 데이터는 디지털 트윈과 같은 인더스트리 4.0 개념에도 유용하다. 모터 전류를 모니터링하면 토크와 전체 프레스 역학에 대한 정보가 제공된다. 이러한 방식으로 직접 측정할 수 없는 기계 변속기 내의 프로세스를 확인할 수 있고, 여기에는 중력과 원심력, 코리올리 힘 그리고 마찰력이 포함된다.

프로젝트가 진행됨에 따라 가능한 응용 프로그램이 형성되고, 예측 유지 관리와 상태 모니터링을 통해 시스템 가용성에도 영향을 미친다. 전체적인 이익은 아직 추정할 수 없지만 전력 분석기를 설치하고 시운전하는 데 들어가는 노력은 크지 않았다. 변환기를 설치하기 위해 배선에 개입할 필요가 없고 제어반 도어에서 오목한 부분만 잘라내면 된다. 마지막으로 소프트웨어를 통해 데이터 분석에 통합할 수 있어 Janitza 시스템은 그 자체로 가치 있는 투자라고 할 수 있다.