[Beckhoff 어플리케이션] XTS를 통한 모듈 방식 기계 설계 및 고도로 정확한 포지셔닝 실현

미세 조립에 활용되는 지능형 제품 이송 시스템

네덜란드 업체인 IMS는 완전 자동화 전자 모듈 조립 시스템을 위한 정밀 이송 시스템을 찾던 중에 Beckhoff의 솔루션이 적합하다는 사실을 알게 되었다. 10 µm 수준의 반복성을 지닌 XTS 리니어 이송 시스템은 제품 포지셔닝과 관련한 높은 요구 조건을 충족한다. 또한 광범위한 모듈형 XTS 구성품은 변화하는 생산 요구 사항에 맞춰 시스템을 쉽게 적응시킬 수 있는 기반을 제공한다.

네덜란드 알멜로(Almelo)에 소재하는 IMS는 10년에 걸친 기간 동안 스마트폰에 사용되는 광학 모듈과 같은 소형 구성품의 미세 조립을 위한 첨단 생산 라인을 개발해 오고 있다. IMS의 기술 이사인 Henri Paus는 현장에서 가동 중인 다수의 조립 라인에 의해 증명 가능한 이러한 성공을 다음과 같이 설명한다. “아시아에 있는 우리 고객 중 한 회사는 이제 이러한 시스템의 시장에서 선도 기업이 되었습니다. 이는 여러 세대의 스마트폰에 사용되는 카메라 모듈이 IMS 조립 라인 중 하나에서 생산될 가능성이 높다는 의미입니다”

 

길어진 공정 시간에도 불구하고 동일한 생산량 구현

해마다 스마트폰 제조사들은 다수의 새로운 모델을 출시한다. 이와 같이 짧은 개발 주기를 유지하기 위해서는 변화하는 생산 조건에 쉽게 적응할 수 있는 유연한 생산 시스템이 필요하다. 게다가, 오늘날의 스마트폰에는 점점 더 많은 첨단 구성품이 탑재되어 있다. Henri Paus는 1세대 IMS 생산 라인이 더 이상 이러한 요구 조건을 충족하지 못함이 명백해짐에 따라 조치가 필요했다고 설명하면서 다음과 같이 얘기한다. “스마트폰의 구성품이 점점 더 많아지고 소형화됨에 따라 개발을 위해 다른 조립 접근법을 활용해야 합니다. 또 다른 인자는 이제 공정 단계가 이전의 평균 사이클 시간(2초)보다 약 두 배의 시간(4~5초)이 필요하다는 점입니다”

부연하여 설명하자면, 2초의 사이클 시간은 약 1,000만 개의 연간 생산량에 해당하는 수치이다. 기존 시스템 설계로 오늘날의 광학 디바이스에 요구되는 투사 횟수를 충족하기 위해서는 급격한 생산량 축소가 불가피하다. 결국, 완전한 순차 생산 시스템에서는 가장 느린 링크가 전체 성과를 결정한다. Henri Paus는 다음과 같이 요약하여 설명한다. “산출량을 절반으로 줄이는 것은 한마디로 생각조차 할 수 없는 선택지였습니다. 따라서 빈번하게 발생하는 제품 변경 및 더 느린 공정 단계에 대처할 수 있는 유연한 생산 플랫폼을 개발해야 했습니다” 라인을 따라 배치되는 개별 공정 모듈 및 워크스테이션은 충분한 성능을 발휘했다. 즉, 약간의 개선만으로도 정확도를 크게 향상시킬 수 있었다. Henri Paus는 다음과 같이 회상한다. “가장 큰 장애물은 해당 지점까지 사용되는 이송 시스템이었습니다” IMS는 Beckhoff의 XTS(eXtended Transport System), 특히 모듈 방식 및 높은 수준의 소프트웨어 기능을 통해 해결 방법을 찾을 수 있었다.

Henri Paus는 XTS와 기존의 자체 개발 시스템 간의 차이를 다음과 같이 설명한다. “이제 무버가 더 이상 서로 연결되지 않아 개별 서보 축처럼 독립적으로 작동할 수 있습니다” 이 덕분에 IMS는 빠른 공정 단계 후에 무버를 완충하는 동시에 다수의 무버를 상대적으로 느린 워크스테이션으로 진입시킬 수 있게 되었다. Henri Paus는 다음과 같이 말한다. “이와 같은 방식으로 느린 하위 공정에도 불구하고 높은 생산량을 유지할 수 있습니다”

 

후속 확장이 가능한 유연성

Henri Paus는 다음과 같이 다른 장점들을 설명한다. “XTS는 당사 고객들이 생산하는 복잡한 제품에 적합할 뿐만 아니라 모듈형 이송 시스템 자체가 매우 유연합니다” 조립 라인을 새 제품에 맞게 조정할 필요가 있을 때, 즉시 확장이 가능하다. 새 셀을 생산 시스템에 연결하고 추가 워크스테이션을 설치하기만 하면 된다. 이러한 목적에 필요한 이송 시스템 확장은 그리드 치수가 250 mm에 불과한 모듈형 XTS 시스템을 통해 쉽게 수행할 수 있다. 결과적으로 단지 몇 시간 내에 개조된 시스템으로 생산을 재개할 수 있다. Henri Paus는 경쟁사의 다른 솔루션에는 이러한 옵션이 없다고 얘기한다.

Beckhoff의 XTS 전문가와 협력하여 사전 조립 및 테스트를 거친 모듈을 HepcoMotion의 GFX 가이드 레일 시스템에 통합하는 고객 맞춤 솔루션을 설계했다. Henri Paus는 다음과 같이 부연하여 설명한다. “이 솔루션은 신속하게 분리할 수 있어야 하는 단순한 기계 장치가 아닙니다. 정확한 커넥터 및 터미널로 분리가 이루어질 수 있도록 하는 전자 장치 및 제어 장치가 준비되어 있어야 합니다. IMS는 소프트웨어를 해당 모듈에 개별적으로 할당함으로써 이러한 측면에서도 유연성을 제공했습니다”

 

10 µm 수준의 정확도를 자랑하는 정밀한 포지셔닝

장착되는 광학 모듈은 일반적으로 소형(5~18 mm)으로 적어도 50 µm 수준의 이송 포지셔닝 정확도를 요구한다. 그와 같은 정확도를 실현하기 위해서는 XTS 무버의 온도 및 미세 진동과 같이 영향을 미치는 인자 또한 고려해야 한다. Beckhoff 엔스헤데(Enschede) 지사의 책임자인 Bernard Gerdes는 다음과 같이 설명한다. “XTS를 Beckhoff의 제어 아키텍처에 심층적으로 통합함으로써 그와 같은 영향 인자들을 쉽게 보정할 수 있습니다” 예를 들어, IMS는 추가 센서를 사용하여 온도 영향을 보정해 왔다. 장비가 온도 제어 클린룸에 위치하지만, XTS 이송 시스템의 온도는 변한다. 이러한 변화를 보정해야 한다.

Henri Paus는 다음과 같이 강조한다. “IMS는 Beckhoff 및 Hepco와 함께 매우 높은 수준의 이송 방향 정밀도 뿐만 아니라 높이 측면에서도 매우 높은 제품 포지셔닝 정확도를 구현하는 데 성공했습니다” IMS는 이제 진동 감쇠 및 전술한 온도 보정을 통해 10 µm라는 탁월하게 우수한 정확도로 캐리어를 워크스테이션에 위치시킬 수 있게 되었다.

 

첫 번째 시스템으로 탁월한 유연성 확인

IMS는 2세대 광학 모듈 생산 라인에 대해 높은 기대를 하고 있다. Henri Paus는 이를 다음과 같이 설명한다. “향후 몇 년 내에 적어도 1세대 시스템만큼 많은 3PX를 출시할 수 있을 거라 기대합니다” 이러한 기대는 스마트폰에 장착되며 모니터, 드론 및 자동차에도 점차적으로 많이 사용되는 소형 광학 구성품에서 기인한다. 이에 더해, IMS 플랫폼의 유연성, 모듈성 및 확장성 또한 완전히 다른 조립 어플리케이션(예: 의료 기술 및 제약 산업용 구성품 생산)에 매력적인 요소이다.

IMS는 이미 첫 시스템을 통해 3PX 생산 플랫폼이 얼마나 유연한지 증명해 왔다. Henri Paus는 다음과 같이 얘기한다. “선적 준비가 거의 끝날 즈음 고객은 당초 지정한 것보다 훨씬 더 큰 제품에 시스템을 사용할 수 있는지 문의해 왔습니다. 그럼에도 전면적인 시스템 재설계는 필요하지 않았습니다. 단지 일부 부품을 약간 더 크게 만드는 것만으로 충분했습니다. 몇 주 후에 재설계된 기계의 선적 준비를 마쳤습니다”

[원본] 월간컨트롤 23년도 4월호