리니어 모터를 이용한 CNC 시스템에서의 정말 모션 제어 실현

공작기계에 대한 모션 컨트롤 기술의 적용은 NC 공작기계의 탄생과 동시에 시작되었다고 할 수 있다. 물론 CNC 이전에도 모션 컨트롤의 개념은 존재해 왔다. 아주 초급적인 모션 컨트롤의 의미로서 저가형 위치 검출기를 탑재한 범용 선반 및 밀링 공작기계가 부분적으로나마 지금도  사용되고 있기 때문이다.

지금은 모션 컨트롤에서의 초정밀 위치제어를 위해 CNC 컨트롤러를 탑재한 고기능 공작기계의 사용이 일반화 되어 있다. 초정밀 위치제어가 중요한 목적으로 개발되어진 CNC 컨트롤러 자체가 곧 모션 컨트롤러라고 할 수 있는 것이다. 보다 범위를 넓혀서 CNC 컨트롤러와 서보모터, 드라이브 및 가이드로 구성되는 이송시스템을 포함한 CNC 시스템을 모션 컨트롤러라 칭하기도 한다.

또한 초정밀 모션컨트롤을 실현하기 위한 공작기계 이송시스템에서의 기술도 눈에 띄게 발전하고 있다. 대부분의 공작기계가 초기의 스핀들 모터대신 지금은 서보모터를 기본으로 채용하고 있다, 더욱 고속 고정밀도를 높인 리니어 모터에 대한 연구개발도 본격화되고 있다.

초고속 초정밀 가공의 실현

최근 공작기계 시장에서는 품질 경쟁력이 우선시 됨에 따라 공작기계의 초정밀화 추세가 계속 이어지고 있다. 이에 따라 가공정밀도가 나노미터 수준으로 요구되는 등 갖가지 초정밀 위치결정 기술이 요구되고 있는 것이다.

정밀 공작기계에 있어서 모션 컨트롤을 위한 이송시스템의 중요성은 꾸준히 강조되고 있다. 또한 최근 들어서는 광부품, 반도체, 디스플레이 등 초정밀 가공기술 시장의 급격한 확장에 따라 이들 산업의 제조장비용 핵심기술로서 모션 컨트롤을 위한 이송시스템의 역할 및 수요는 갈수록 확대되는 추세다. 심지어 요구 정밀도면에서는 공작기계상에서의 요구성능을 넘어서서 이들 산업에서 개발된 기술이 역으로 공작기계에 적용되어야 하는 시점으로까지 진전되고 있다.

공작기계를 이용하여 가공작업을 할 경우에 가감속 활동이 적게는 수백번에서 많게는 수만번씩 발생할 수 있으므로 이송시스템의 고속 고정밀도 확보를 통한 가공시간의 대폭적인 단축이 생산성 향상으로 이루어질 수 있다.

최근에는 모션제어용 이송시스템을 위한 리니어 모터의 등장으로 기존의 볼스크류와 더불어 이송시스템의 고정밀도와 설계기술의 다양화가 본격화되고 있다.

볼스크류와 리니어 모터

현재 일반적으로 사용되고 있는 공작기계에서의 이송시스템은 고속 고정밀도를 요구하는 고객들의 니즈를 수용하는데 있어 여러가지 문제점을 가지고 있다.

먼저 고속 이송을 위해서는 볼스크류의 리드를 늘리거나 서보모터의 회전속도를 증가시키는 방법이 일반적인 해결책이다. 그러나 절삭력 등에 의한 부하 토크는 리드에 비례하여 증가하게 되어 서보모터에 가해지는 부하가 급격하게 커질 수밖에 없다. 볼스크류의 회전 관성 절감이나 직선 이송체의 경량화로는 한계가 있다는 것이다.

다음으로 고속화의 문제와 동시에 고려되어야 할 분야가 고정밀도이다. 볼스크류의 이송계가 고속화됨에 따라 부하 관성이 증가하게 되면 이송계의 고유진동수가 낮아진다. 경로 오차도 이송속도에 비례해서 커질 수밖에 없다.이와 더불어 볼스크류에서의 발열, 리턴 튜브에서의 소음발생, 볼스크류의 고속회전에 의한 수명 단축 등도 해결해야 할 과제로 남아있다.

볼스크류에 대한 연구가 지속적으로 이루어지면서 가시적인 성과를 보이고는 있지만 일반적으로 급속 이송속도가 60m/min 이상이거나 가속도가 1G 이상일 경우에는 볼스크류 자체에 한계가 있는 것으로 알려져 있다.

볼스크류의 고속화에 따른 문제점을 해결하고자 하는 노력으로 개발된 것이 리니어 모터이다. 

리니어 모터는 회전형 서보모터, 커플링 또는 타이밍 폴리와 밸트 등 운동 전달요소, 볼스크류 및 지지베어링 등의 기계부품을 모두 없앨 수 있다는 장점이 있다. 리니어 가이드 이외에는 접촉부가 존재하지 않아 기존 볼스크류가 가지고 있던 발열, 관성, 백래쉬 등의 문제를 해결하고 정밀도 및 속도 향상은 물론 수명의 문제를 한꺼번에 해결한 것이다.

리니어 모터 기술의 급격한 발전과 함께 공작기계 분야에서도 적극적으로 리니어 모터를 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 특히 비교적 경부하의 절삭력을 받는 고정밀도 공작기계의 경우에는 LCD, 반도체, 광부품 제조장비에 적용되어 정밀도와 안정성을 검증 받고 있는 코어리스 리니어 모터의 적용 가능성이 매우 높아지고 있다.

리니어 모터의 경우 이송시스템을 구성하는 부품수가 적고 조립공차가 매우 크면서도 운동오차에 대한 간섭이 없다는 장점을 가지고 있어 설계 및 조립자에게 매우 매력적이라 하겠다.

그러나 기본적으로 피드백 센서를 갖추어야 제어가 가능하고 자체의 가격도 아직은 기존에 사용하고 있는 서보모터에 비해서 상대적으로 비싸다는 과제가 남아 있다. 또한 공작기계에 적용하기 위해서는 특히 추력방향의 외란에 대한 성능이 검증될 필요가 있다.

실용화라는 과제를 해결해야

볼 스크류는 길이가 길어지면 최고속도를 높일 수 없고 강성도 낮아진다. 이와 달리 리니어 모터는 스트로크의 길이에 관계없이 동일한 성능을 발휘한다. 이는 긴 축을 가진 이송시스템 구성에 매우 적합한 특성을 가진다.

CNC 선반의 X축이나 수직형 머시닝 센터의 X축에만 단독으로 리니어 모터를 적용한 제품은 이미 일본을 중심으로 상용화되어 있다. 높은 제어 게인, 1G 이상의 가속능력, 초당 2m/s의 급속 이송속도로 이루어지는 동작, 고속 이송에서의 정밀도는 가히 놀랄만한 수준이라 할 것이다. 

이러한 기술의 진보에도 불구하고 리니어 모터 이송시스템에서의 연구개발은 더욱 발전할 필요가 있다.

한국화낙 남호승 과장은 “공작기계에서의 리니어 모터 사용은 이제 하나의 방향으로 설정되었다. 최근 2~3년전부터 공작기계 관련 국제 전시회에서 리니어 모터의 대세를 확인할 수 있을 정도로 공작기계 전문업체들의 새로운 리니어 모터를 이용한 공작기계의 개발이 크게 눈에 띈다”고 말한다.

그러나 아직까지 리니어 모터를 포괄적으로 적용한 공작기계의 실용화는 이루어지지 못하고 있다. “국내에서는 대우종합기계와 화천중공업이 이 분야에서 적극적인 개발을 추진하고 있다. 그러나 2~3G의 가속능력을 가지는 실용화된 기기의 출시는 이루어지지 못하고 있다”는 것이 남 과장의 의견이다. 프로토 타입의 복합형 공작기계만이 전시회장에서 보여지고 있을 뿐이라는 것이다.

대우종합기계의 고속 고정밀 수평형 머시닝센터

실용화를 위한 가장 큰 문제는 오히려 부품소재 쪽에 있다. 고속화에 따른 주축의 강성 문제, 발열문제, 고속성과 정밀도에 만족할 수 있는 가공 공구(Tool)에 대한 기술개발 속도가 너무나 느리다는 지적이다.

또한 리니어 모터는 이송시스템에서의 회전형 부품이 없어지는 대신 여타 부가장치 및 리니어 모터 고유의 특성을 보완하기 위한 장치들로 인해 고가의 장비가 될 수밖에 없다. 물론 고속 고정밀도가 가능한 만큼 상품가치의 상승은 기대할 수 있겠지만, “투자한 가격 만큼의 생산성 효과가 실제적으로 가능할 것인가에 대한 의문은 아직까지 풀리지 않고 있다”는 것이다.

이러한 높은 제조 비용으로 인해 리니어 모터 공작기계를 수용할 수 있는 분야는 당분간은 고부가 가치 산업 분야에 한정될 것이다. 주요 적용분야로는  IT산업, 반도체, 소형 초정밀 금형, 미세형상 가공분야를 들 수 있다.

2004년 기사 작성