제어 엔지니어가 고려해야 할 기계적 요소 Top 5

고성능 메카트로닉스 시스템

기구 및 제어엔지니어들은 제품 선정시에 종종 중요한 이슈들을 간과하는 경향이 있다. 여기에 메카트로닉스 시스템을 기획하고 설계하는 제어 엔지니어들을 위해 보쉬렉스로스가 제안하는 5가지 조언을 들어보자.

재레드 만 (Jared Mann)

보쉬렉스로스 리니어 모션&조립 기술부 애플리케이션 엔지니어

고성능 메카트로닉스 시스템은 기획 단계에서부터 점점 까다로워지는 요구사항을 만족시키기 위해 기구 설계자와 제어 엔지니어와의 긴밀한 협업을 필요로 한다. 하지만 문제는 기구 및 제어 엔지니어들은 각자의 전문 영역 안에서 생각하기 때문에 종종 의사소통이 제대로 이뤄지지 않고 프로젝트가 진행되는 경우가 있다.

이러한 경우, 소통의 부재로 나중에 가서는 장비의 성능이 기대했던 만큼 나오지 않거나 추가 비용이 발생하게 된다. 기구 설계자들이 메카트로닉스 시스템의 사이징, 제품 선정, 그리고 시운전까지 참여하기 때문에 설계 단계 또는 위에서 언급했던 것과 같은 현장에서의 문제를 경험한 적이 있다. 기구와 제어 엔지니어들의 의사소통과 보다 나은 협업을 위해 다음과 같은 5가지 메카트로닉스 시스템 설계에서 중요한 고려사항들을 제안한다.

<고려사항 1> 총소유비용을 따져본다

메카트로닉스 시스템은 장비가 수명을 다할 때까지 최소의 소모비용으로 최상의 성능을 발휘하도록 설계돼야 한다. 그러나 매년 원가절감에 대한 필요성으로 엔지니어들은 좀 더 저렴한 파트들을 찾게 된다. 이로 인해, 가격이 저렴한 이유 하나로 선정한 단순한 파트 하나가 나중에는 큰 골칫거리가 될 수도 있다.

한 예로 액추에이터단의 샤프트와 기어박스 또는 모터를 연결하는 벨로우즈 타입의 저가 커플링의 사용은 보통 스텝 모터로 구동하는 애플리케이션에서는 전적으로 적합한 조합이지만, 사실 스폰지 재질의 커플링은 고하중을 이동시키는 픽-앤-플레이스(Pick-and-Place)의 애플리케이션에서는 특정 양의 감쇄(Damping) 효과를 줄 수도 있다.

물론 정밀도의 손실은 있겠지만, 전형적으로 서보 모터로 구동되는 많은 메카트로닉스 시스템에서는 강성 탄성 재질의 커플링을 사용하는 것이 좋다. 여기서 주의할 것은 저렴한 커플링은 단기간에는 비용이 절약될 수 있겠지만, 만약 요구되는 강성을 만족하지 못하게 되면 모터 브래킷의 재설계와 개조작업으로 초기에 저렴한 커플링으로 절약하려 했던 금액의 세 배 또는 그 이상의 비용이 들게 된다는 것이다.

또한 그로 인한 시스템의 정지 시간에 덧붙여 생산에도 차질을 빚게 된다.

다시 말해서 총 소유비용(TCO : Total Cost of Ownership)은 메카트로닉스 시스템 설계에서 가장 중요한 고려사항이며, 다음에서 설명될 나머지 4가지의 고려사항 또한 TCO를 극소화하는데 중요한 역할을 한다.

<고려사항 2> 항상 기구의 구조를 먼저 본다

제어 엔지니어가 전장 구성과 프로그래밍을 시작하기 전에 기구 설계를 조금이나마 이해하고 그 작업에 참여한다는 것은 매우 중요하다. 관성 및 토크 같은 파라미터는 기구 파트의 선정에 많은 영향을 받기 때문에, 기구적 컨셉이 정의되기 전에 먼저 사이징을 하고 제어 제품을 선정할 경우 시간 낭비와 재작업을 초래할 수 있다.

이에 보쉬렉스로스의 엔지니어들은 애플리케이션에서 요구되는 최적의 조합을 위한 파트의 사이징과 선정을 위해 LOSTPED라는 개념을 사용한다.

LOSTPED는 약자의 조합으로서 부하(Load), 방향(Orientation), 속도(Speed), 행정구간(Travel), 정밀도(Precision), 사용환경(Environment) 및 듀티 사이클(Duty Cycle)를 의미한다. 간단히 말해서, LOSTPED는 각 애플리케이션에 대해 그 구성이 최적의 시스템이 될 수 있도록 설계하고, 최종 목표와 고려될 필요가 있는 모든 성능 및 디자인 특성에 대한 체계적인 검토 기준이라고 말할 수 있다.

이러한 프로세스를 따르지 않는다는 것은 필요 이상으로 비싸거나 큰 기구 파트를 선정하게 되는 실수를 범하게 된다는 뜻이다. 예를 들면, 만약 OEM 장비사나 최종 고객사가 LOSTPED에 대한 기준 없이 특정 모터를 적용하도록 강요한다면 모터 토크 또는 관성을 제어하기 위해 실제 애플리케이션에서 요구하는 것보다 불필요하게 큰 기구 파트가 사용될 수 있다.

이는 제어 파트도 마찬가지다.

만약 볼 스크루 구동의 액추에이터가 10마이크로의 반복정밀도를 달성할 수 있다면, 이 스펙을 초과하거나 만족시키는지 확인해야 할 필요가 있다. 그렇지 않으면 볼 스크루의 정밀도가 갖는 장점을 취할 수 없게 된다.

재고로 갖고 있거나 다른 장비에서 사용된 적이 있는 모터, 드라이브, 컨트롤러와 같은 파트들을 사용하려고 하는 것은 어쩔 수 없는 인간의 본성이지만, 각 파트와 전반적인 시스템이 비용과 성능에 최적화돼 있는지 그 자체로 검토돼야 한다. 그렇지 않을 경우, 더 많은 비용을 지불하거나 필요한 시스템 성능을 얻기 힘들 것이다.

<고려사항 3> 동그란 구멍에 네모난 말뚝을 끼우려 하지 마라

이 문구는 일상에서 빈번하게 인용되듯이 그 자체로 중요한 고려사항이다.

많은 제어 엔지니어들이 특정 드라이브와 모터에만 익숙해 습관적으로 기존의 제품을 사용하려는 경향이 있다.

하지만 이러한 자세는 옳지 못하며 다음과 같은 문제점을 초래하기도 한다.

액추에이터 사양에 비해 큰 모터의 사용은 마운팅 이슈를 발생시키기도 하며, 불필요한 큰 토크를 리니어 모듈에 공급할 수도 있고, 관성 또는 정지 시간과 관련된 문제를 야기하게 된다. 이로 인한 예상치 못한 정지 시간은 FPD 공정의 디스펜싱(Dispencing) 또는 반도체 공정에서의 정밀 조립과 같은 정밀도가 요구되는 애플리케이션에서 정도 오차를 발생시킨다. 만약 모터가 너무 크게 선정돼 과도한 관성을 가지면 전반적인 사이클 타임이 증가해 액추에이터는 요구되는 위치에 정확한 시간에 도달하지 못할 수도 있다.

특히, 정밀한 애플리케이션에서는 가능한 한 1대 1의 관성비를 맞출 수 있도록 기구와 제어 제품을 조합해야 한다. 애플리케이션 구동에 요구되는 전력 소비를 최소한으로 유지하는 것 또한 공정상 에너지절감 차원에서 최종 고객사를 위해 매우 중요하다.

<고려사항 4> ‘Jerk’를 잊지 말 것

저크(Jerk)는 가속도의 변화율 또는 가속도의 증가율이다. 롤러코스터를 타고 오르막 끝에서 급격히 내려올 때 느끼는 감각을 생각해보면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

목뼈 골절을 입지 않으면서 롤러코스터의 가속을 경험하게 해주는 것이 저크 파라미터(얼마나 빨리 가속할 것인지에 대한)의 한계점이다. 메카트로닉스 애플리케이션에서 정확한 가속도 설정은 정해진 시간 안에 요구되는 구동을 완료할 수 있도록 하는 중요한 팩트다. 하지만 만약 저크가 너무 높으면 진동이 발생하고 위치값을 잃어버리거나 파트의 수명을 짧게 만들어 버릴 수 있다.

반면에, 만약 제어 엔지니어가 애플리케이션에서 요구되는 저크의 중요성을 간과하게 되면, 작은 용량의 모터를 선정하는 실수를 범하거나 시운전시 요구되는 성능을 발휘하지 못하는 난감한 경험을 할 수도 있다.

<고려사항 5> 케이블은 반드시 관리돼야 한다

케이블 관리는 메카트로닉스 시스템 구성에서 가장 빈번하게 간과하게 되는 사항 중 하나다. 케이블과 관련된 실수를 지양해야 하는 이유는 케이블 관리로 인해 더 많은 비용이 발생할 수 있기 때문이다. 케이블과 케이블 체인은 물리적인 공간을 필요로 하며 빠른 다축 모션의 경우에는 종종 곡률반경이 크고 내구성이 좋은 케이블이 요구된다.

특히, 케이블 구성을 설계할 때에는 이론적인 동작과 요구되는 공간이 실제 애플리케이션에서 케이블 구성에 필요한 부분과 큰 차이가 발생할 수 있다는 것을 명심해야 한다. 일단 장비나 공장 내에서 케이블이 설치되고 나면, 밀착돼 움직이는 기구부, 공장 벽면, 기둥 그리고 장착된 컴포넌트와 공구 부분들이 시스템의 동작 범위에 포함되며 이는 케이블 관리 시스템을 방해할 수 있는 잠재적인 요소들이 된다. 때로 케이블의 제원을 초과해 구부러지거나 꼬이게 되면 케이블이 타버리거나 합선과 같은 안전사고를 유발하게 되므로, 케이블에 불필요한 당김이나 방해 요소가 없는지 꼭 확인해야 한다.

불필요한 시간 및 비용소모 방지

이 모든 사항들은 총소유비용에 포함된다.

모든 전기 기계적 시스템의 설계에 있어서 최종 목적은 최소의 비용으로 최적의 성능을 발휘하는 것이다. 실제 산업 현장에서는 대부분의 경우 엔지니어들 간의 협업 체제로 의해 많은 시스템들이 설계된다. 이는 이상적인 모델이기도 하지만 메카트로닉스 시스템 분야가 학문으로서 상대적으로 오래되지 않았기 때문에 소수의 제어 또는 기구 엔지니어들만이 다른 전문 분야의 상대 엔지니어에 대한 이해와 경험을 갖고 있다는 문제가 있다. 그래서 종종 실수가 발생하고 반드시 고려돼야 할 것들이 간과되기도 한다.

위에서 설명된 5가지 고려사항은 기구 엔지니어와 제어 엔지니어 간의 갭(Gap)을 줄이고 불필요한 시간과 비용의 소모를 방지함에 그 목적이 있다. 오랜 기간 동안 총소유비용을 감소시킴으로써 막대한 비용 지출을 절감할 수 있다는 사실은 그 누구도 부인할 수 없을 것이다.

※ 제어 엔지니어를 위한 최우선 기계적 고려사항들

․ 메카트로닉스 시스템은 장비 수명 기간 동안 최소의 소모 비용으로 최상의 성능을 발휘하기 위해 설계돼야 한다.

․ 기구가 정해지기 전에 전장공간을 설계하는 것은 시간 소비와 작업의 시행착오를 발생시킨다.

․ 정밀한 애플리케이션에서는 가능한 한 1대 1의 관성비를 맞출 수 있도록 기구와 제어 제품을 조합한다.

․ 정확한 가속도 설정은 메카트로닉스 애플리케이션에서 정해진 시간에 요구되는 구동을 완료할 수 있도록 하는 중요 팩트다.

․ 케이블 구성을 설계할 때에는 이론적인 동작과 요구되는 공간이 실제 애플리케이 션에서 케이블 구성에 필요한 부분과 큰 차이가 발생할 수 있음을 명심한다.

TCO(Total Cost of Ownership)란?

TCO는 Total Cost of Ownership의 약자로, 우리나라 말로는 총소유비용이라 한다. 총소유 요소는 획득원가, 소유원가, 후소유원가로 구성된다. 쉽게 풀어 설명하면, 구입(획득)원가(Acqusition Cost)는 제품을 사들여 오는데 필요한 모든 비용 즉, 구매가격에 해당되며, 소유원가(Ownership Cost)는 구입한 부품 또는 제품을 소유하는 동안 진행되는 처리비용(가공, 품질검사, 공정 등)에 해당되고, 후-소유원가(Post-ownership Cost)는 제품 또는 서비스가 출하돼 고객에게 전달되는 동안과 전달된 후에 발생하는 모든 비용을 말한다. 이러한 정의에 입각해 구매를 하는 측면에서 구매가격 즉 구입비용이 싸다고 해서, 실제로 적절한 가격에 구입한 것인가 라는 질문을 해보자.

FA Journal 편집국 (fa@infothe.com)

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