용접건 애플리케이션을 위한 롤러 스크루 액추에이터 엑슬라(Exlar)의 전자식 롤러 스크루 리니어 액추에이터 및 로터리 서보 모터, 통합 제어 솔루션은 다양한 모션제어 애플리케이션에 사용되고 있다. 엑슬라의 액추에이터 기술은 유압 또는 공압식 실린더를 대체할 수 있는 포스가 5만lbf를 초과하고, 초당 10인치가 넘는 리니어 속도를 갖춘 효율적인 전자기계식 솔루션을 제공한다.
리니어 액추에이션은 공장 자동화의 핵심 기술이다. 유체동력(유압 및 공압)과 마찬가지로 전자기계식 액추에이터는 포장, 식품, 에너지, 공정관리, 건설, 자동차 산업과 같은 일반적인 산업분야에서 더욱 중요해지고 있다.

리니어 액추에이터를 이용한 제조라인은 오늘날 산업 분야의 필수요소가 됐다. 하지만 공기압을 동력으로 하는 시스템뿐만 아니라 오일 기반 시스템은 비효율적인 요소들이 많고, 제어하기가 어렵다. 이러한 경우에는 전자기계식 방식을 심각하게 고려해야 한다. 다른 액추에이터 기술은 에너지 효율 및 시스템 제어방식, 기대수명, 공간제한 등을 기반으로 검토해야 한다.
3가지 액추에이터 기술(유압, 공압, 전자기계식)을 비교하면 전통적인 유체동력 대비 전자기계식 솔루션의 놀라운 혜택을 확인할 수 있다. 오늘날 자동차 산업의 로봇 용접건은 가장 일반적인 리니어 액추에이터 애플리케이션으로 유체동력에서 전자기계식으로 전환되고 있다.

정확성 및 재연성 필요한 로봇 용접건
로봇은 전 세계적으로 자동차 생산 설비에 방대하게 사용되고 있다. 로봇의 주요 애플리케이션은 차량의 섀시를 성형하기 위한 스텝핑 박판 부품의 스폿 용접(Spot Welding)이다. 수많은 차량 용접은 정확성과 일관성은 물론 작업의 재연성이 필요하기 때문에 전자기계식 액추에이터가 최상의 솔루션이다. 용접건은 로봇팔 끝에 장착되며, 차량 섀시 부품의 특정 위치에 도달할 수 있어야 한다.
로봇은 자체 전기 서보 모터로 항상 구동되지만, 용접건 액추에이터는 낮은 취득 원가와 전반적인 단순성 때문에 공압 실린더로 구동되는 일반적으로 서보-공압 액추에이터를 장착하고 있다.
갈수록 증가하는 생산 수요를 충족시키기 위해 자동차 산업의 자동화 엔지니어는 스폿 용접 성능을 향상시키는 전자기계식 액추에이션 솔루션을 점점 더 선호하고 있다. 일반적인 대안은 볼이나 롤러 스크루 기술에 기반한 전자기계식 액추에이터이다.

다른 접근방식의 롤러 스크루
지금까지 중공업(자동차 제조) 분야에 가장 널리 사용되고 있는 전자기계식 액추에이터는 볼 스크루나 롤러 스크루와 같은 로터리-리니어 트랜스미션을 갖춘 로터리 서보 모터였다.
볼 스크루는 상대적으로 생산이 간단한 데다, 여러 제조업체들이 공급하고 있어 경제적이다. 볼 스크루는 그라운드 또는 롤 타입의 나사봉(Threaded Rod)과 너트를 포함한 볼 베어링으로 구성된다. 볼트의 너트처럼 봉을 따라 회전하는 너트는 리니어 모션이 유발된다. 높은 수명과 높은 속도, 낮은 잡음이 요구되는 경우에는 롤러 스크루나 롤러 스크루 액추에이터가 적절한 선택이다. 롤러 스크루는 볼 스크루와 원리가 비슷하고, 나사봉을 따라 구동하는 너트를 가지고 있다. 하지만 볼 스크루의 볼과는 달리, 롤러 스크루 너트는 서로 맞물려 있는 나사 롤러와 유성 기어박스와 같은 너트 하우징을 활용한다.

볼 스크루와 비교해 롤러 스크루는 다음과 같은 3가지 장점이 있다.
- 더 많은 접촉점을 가지고 있는데, 이는 마찰력이 더 큰 표면으로 확산될 수 있음을 의미한다.
- 볼은 다른 방향으로 움직이는데, 스크루로 너트와 연결된 롤러는 서로 동기화돼 있다. 이를 통해 보다 높은 회전 및 리니어 속도를 낼 수 있다.
- 볼 스크루에서 볼은 방향이 달라지는 채널을 따라가야 하는데, 롤러는 간단하게 롤러 스크루 주변에서 동기화된 모션으로 회전한다. 따라서 롤러 스크루에서 생성되는 진동과 잡음이 더 적다.
이와 같은 고유의 설계상의 장점 때문에, 롤러 스크루는 동급 볼 스크루 대비 5배에서 15배의 수명을 제공한다.

높은 가격 경쟁력 및 제조 간편성
오늘날 공급되고 있는 대부분의 전자기계식 액추에이터는 유연한 커플링으로 스크루와 나란히 장착되거나 또는 벨트와 풀리, 기계식 기어로 스크루와 병렬로 장착된 별도의 전기모터와 패키지드 스크루 매커니즘으로 구성된다. 볼스크루와 마찬가지로 외부 모터와 결합된 액추에이터는 제조가 매우 간단하고, 마켓에 여러 경쟁사들이 활동하고 있어 상대적으로 저렴하다.
하지만 액추에이터에 별도의 컴포넌트처럼 모터가 추가되기 때문에 전반적인 패키지 사이즈는 더 크고, 중량도 꽤 높은 편이다. 크고 무거운 액추에이터는 더 크고, 더 고가의 로봇이 필요하다. 또한 큰 액추에이터와 큰 로봇의 조합은 전반적인 시스템 인테리어를 증가시키기 때문에 사이클 시간이 더 길어지고, 생산성도 감소된다.

다음 개발 단계는 모터와 롤러 스크루를 하나의 장치에 통합하는 것이다. Exlar GS 롤러 스크루 액추에이터는 단일 장치 안에 스크루 및 서보 모터의 메커니즘을 모두 겸비하고 있다. 이를 달성하기 위해 전통적인 롤러 스크루 설계를 역설계로 변환했다. 롤러 스크루 너트는 서보 모터의 로터처럼 사용되는 그라운드 중공축(Hollow Shaft)으로 동작하며, NIB(Neodymium Iron Boron) 자석 모양으로 결합돼 있다.
또한, 모터가 액추에이터에 통합돼 더욱 작아진 패키지 사이즈는 더 적은 수의 컴포넌트만을 필요로 하기 때문에 안정성을 향상시키고 중량을 상당히 줄일 수 있다. 모터와 액추에이터가 직접 결합돼 있어 백래시를 제거할 수 있기 때문에 동작반응이 획기적으로 높아지고, 전반적인 성능도 향상된다. 세그먼트 라미네이션(T-Lam) 고정자는 최소화된 엔드-턴(End-Turn)과 180(H) 절연등급을 가진 80% 슬롯 필(Slot Fill)로 콤팩트하고 효율적인 설계를 제공한다.

Exlar GS 버전 리니어 액추에이터는 스크루와 모터 간의 매커닉이 분리돼 있지 않아 다양한 장점을 가진다. 롤러 스크루의 수명, 서보 기반 모터의 정밀성, 제한된 컴포넌트로 통합된 솔루션의 콤팩트한 디자인을 특징으로 한다.
특히, 높은 부하용량을 갖춘 롤러 스크루는 작업 수명이 주요 장점이다. 일반적으로 인치나 미터로 측정되는 롤러 및 볼 스크루의 상대적 이동 수명은 2,000lbf/ 8,900N 부하 애플리케이션에서 롤러 스크루가 서비스 수명이 15배 더 뛰어난 것으로 확인된다.

포스 재연성
앞서 언급한 것처럼 용접건 애플리케이션은 전체 생산 이행단계에 걸쳐 뛰어난 포스재연성(Force Repeatability)을 필요로 한다. 포스 재연성을 유지하는 것은 시스템의 낮은 온도에서의 시동(Cold Start) 이후 예열(Warm-Up) 기간 동안 특히 어려운 문제가 될 수 있다. 엑슬라 액추에이터 GSX40(일반적으로 용접건에 사용됨)의 포스 재연성은 주변온도 40°C에서 정격가압력의 0.75% 또는 50N에 이른다. 이는 전체 생산 사이클에 걸쳐 일정하게 안정된 용접 스폿을 유지할 수 있도록 해준다.

에너지 절감
독일 카셀대학(University of Kassel)의 2011년 연구과제(환경친화적 제품과 공정)는 엑슬라 전자기계식 액추에이터와 동급의 공압 및 유압 솔루션의 성능을 비교하는 것이었다. 이 연구팀은 전자기계식 액추에이터를 사용했을 경우, 유체동력 대비 90%까지 에너지를 절감하는 것을 확인했다. 동일한 부하 및 듀티 사이클 조건하에서 동작하는 유압 액추에이터는 전자기계식 액추에이터보다 4.4배 더 많은 에너지를 필요로 하고, 공압 실린더는 믿기 어렵지만 10배나 많은 에너지를 소모했다.

이는 특정 테스트 파라미터와 조건을 고려한 단 하나의 연구사례라는 점에 주목할 필요가 있다. 하지만 한 쪽에는 호스, 튜브, 필터, 밸브, 건조기, 펌프와 같은 주변장치를 가지고 있고, 다른 쪽에는 네트워크상의 누수가 나타나는 유체동력 시스템으로 된 구조는 전자기계식 솔루션보다 훨씬 높은 에너지 소모량을 보인다.
유압 및 공압 시스템의 중요성이 완전히 사라지는 것은 아니지만, 다만 경제성 및 에너지 관점에서 볼 때, 전자기계식 액추에이션이 여러 산업 분야에 적합한 더욱 뛰어난 대안이라는 점은 분명하다.

신기술의 적용 기대
전 세계적으로 아직은 전자기계식 솔루션보다 서보-공압 기반 용접건이 더 많이 사용되고 있다. 하지만 자동차 산업과 같은 보수적인 산업분야에서도 새롭고 더 뛰어난 기술을 고려하기 시작하면서 앞으로 수년 안에 이러한 양상은 달라질 것으로 예상된다. 모듈식으로 설계된 엑슬라 액추에이터는 마켓에 공급되는 거의 모든 서보 드라이브에 대한 피드백 신호를 제공하며, Kuka, Comau, ABB, Fanuc, Nachi, Motoman의 7축 로봇에 성공적으로 설치됐다.
엑슬라 액추에이터는 액추에이터에서 직접 용접 포스를 측정하는 통합 부하 셀과 통합 전기 제동장치와 같은 여러 추가 기능을 갖추고 있으면서도 마켓에서 가장 작은 사이즈를 갖고 있다.
엑슬라가 제공하는 제품을 기반으로 자동차 마켓에서 변화를 현실화하고 있는 커티스-라이트코퍼레이션(Curtiss-Wright Corporation)은 향후 수년 내에 엑슬라 브랜드 액추에이터의 가장 중요한 성장 마켓 중 하나로 자동차 시장을 꼽고 있다.

커티스-라이트코퍼레이션 제공