생산 공정 정밀 검사를 간편하게 처리할 수 있게 해주는 분산형 서보 드라이브 기술 및 EtherCAT P

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브룸 및 브러시의 산업 생산을 위한 새로운 기계 컨셉

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유연한 가공 터렛과 AMP8620 공급 모듈이 탑재된 AMP8000 분산형 서보 드라이브 시스템을 기반으로 하는 Borghi의 새로운 기계 컨셉은 브룸 및 브러시의 연속 생산을 가능하게 한다. © Borghi

브룸 및 브러시의 산업 생산은 전통적인 수작업 접근 방식과 크게 다르지 않다. 단지 기계 속도가 더 빠를 뿐이다. 그러나 기계 제작사인 Borghi S.p.A는 더 빠른 속도를 원했다. 이로부터 Moon 프로젝트가 시작되었고, Borghi는 이 프로젝트를 통해 생산성 측면에서 엄청난 성장을 거둘 수 있었다. Moon 프로젝트에서는 PC 기반 제어 및 EtherCAT P 기반 AMP8000 분산형 서보 드라이브 시스템을 사용하여 완전히 새로운 생산 시퀀스를 개발하고 구현했다.

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얼핏 보기에 브룸과 브러시는 다양한 형태, 재질 및 색상을 지닌 일상적인 가정용 및 산업용 제품에 불과하다. 재질 및 치수는 강철, 폴리프로필렌, 말총 또는 탐피코 섬유로 제작된 소형 브러시에서 도로 청소차용 대형 롤러까지 광범위하다. 따라서 Borghi가 많은 양의 브룸과 브러시를 경제적인 방식으로 높은 정밀도와 품질로 제조하기 위해서는 첨단 생산 기술이 필요하다.

이탈리아 모데나의 Castelfranco Emilia 마을에 기반을 두고 있는 Borghi는 1948년에 창립되었으며, 이 분야에서 75년 가까이 오랜 기간 동안 전문성을 구축해 왔다. 오늘날 Borghi는 브라질, 중국, 인도, 폴란드 및 스페인에 산재한 여러 자회사에서 제품을 생산한다. 또한 아시아, 유럽, 미국과 같이 전략적으로 중요한 다수의 지역에 영업 사무소를 두고 있다. Paolo Roversi 회장은 다음과 같이 설명한다. “Borghi는 이제 국제적인 그룹으로 자리매김했으며, 250 명이 넘는 직원이 기계 생산뿐 아니라 컨트롤 캐비닛 조립, 금형 제작 등에 종사하고 있습니다. 주요 브러시 및 브룸 브랜드가 판매하는 제품 중에서 Borghi 기계 중 하나를 사용하여 생산된 제품을 자주 보게 될 것입니다.”

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EtherCAT P 및 소형 AMP8000 서보 드라이브를 기반으로 하는 분산형 연결 컨셉은 소중한 기계 내 공간을 절약할 수 있게 해준다. © Beckhoff

엄격한 요건이 적용되는 브룸 생산

브룸 제조에서는 브러시가 가장 중요한 요소이다. 브러시는 소위 ‘래스’에 꿰어지는 여러 줄의 섬유로 구성된다. 브러시는 형상뿐만 아니라 재질 또한 완전히 다를 수 있다. Paolo Roversi는 다음과 같이 얘기한다. “예를 들어, 합성, 천연 및 금속 섬유를 모두 단일 공장에서 가공하기 위해서는 매우 높은 유연성이 요구됩니다.”

전통적인 브러시 생산 사이클은 베이스 플레이트 피딩으로 시작되며, 삽입되면 베이스 플레이트가 드릴링 스테이션으로 이송된다. 다음 단계에서는 터프트가 천공된 플레이트에 삽입되고, 이어서 정해진 크기에 맞게 절단된다. 마지막 단계에서는 완성품이 따로 보관된다. 이 마지막 가공 단계는 항상 새로운 사이클의 시작을 위한 다음 베이스 플레이트의 삽입과 거의 동시에 이루어진다. Paolo Roversi는 주요한 생산성 병목 현상을 지적하면서 다음과 같이 설명한다. ”여러 공정 단계 간의 전환 시에 반제품이 다음 스테이션으로 이송될 수 있도록 워크 스테이션의 모션 축이 계속하여 일시적으로 정지해야 합니다.” 이러한 일시적 정지는 일반적으로 2~3초 정도 지속되는데, 그렇게 길게 느껴지지 않을 수 있겠지만, 전체 사이클이 약 15초인 것을 감안할 때 약 20%의 생산성 손실을 야기한다. 반면에 이러한 강제적인 휴지 시간은 생산성 향상에 있어서 엄청난 잠재력을 나타내는 것이기도 하다.

브룸과 같은 가정용품은 대량 생산 제품이기 때문에 트렌드에 맞게 제품을 자주 수정해야 한다(예: 강모 색상 변경). © Beckhoff

모션 제어를 통한 일시 정지 시간 해소

기계의 성능과 효율성을 최적화하기 위한 Bogie의 Moon 프로젝트가 시작된 것도 바로 이 시점이었다. Paolo Roversi는 최적화된 브러시 생산 방식을 언급하면서 다음과 같이 설명한다. “Borghi는 새로운 기계를 통해 기존의 단계 변화 사이클 패턴을 타파하고 연속 운전이 가능한 기계 컨셉을 개발하고자 했습니다.” 이를 위해서는 완전히 다른 기계 설계와 안전하고 안정적이며 결정론적인 접근 방식으로 높은 수준의 복잡성을 처리할 수 있는 자동화 공급업체가 필요하다. 다양한 자동화 컨셉을 평가한 후에 AMP8000 분산형 서보 드라이브 시스템과 EtherCAT P를 포함한 자동화 솔루션으로 맨 먼저 해당 컨셉을 구현했던 Beckhoff를 선택하기로 결정했다고 Paolo Roversi는 회상한다.

플레이트를 하나의 가공 단계에서 다음 단계로 원활하게 이송하는 네 개의 독립적인 가공 터렛으로 구성된 기계의 연속 운전을 구현하기 위해 광범위한 기계공학적 재설계가 요구되었다. 다섯 개의 서보 드라이브를 통해 각 가공 터렛을 가공 대상 플레이트의 형태에 맞게 신축적으로 배치할 수 있다. 이 컨셉에는 통합 전원 전자 장치가 있는 AMP8000 분산형 서보 드라이브 형태의 콤팩트하고 강력한 드라이브 기술이 필요하다. 전원 및 통신 장치(세이프티 장치 포함)를 연결하는 데 단일 EtherCAT P 라인이 사용되는데, 이 덕분에 터렛 공간 뿐만 아니라 중량까지도 줄일 수 있다.

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서보 드라이브의 약 절반가량은 여전히 AX8000 다축 서보 시스템을 통해 제어된다. © Beckhoff

기계 및 컨트롤 캐비닛의 공간 요건 최적화

AMP8000 공급 모듈은 분산형 전원 공급 장치에서 핵심적인 역할을 수행한다. 다섯 개 드라이브에 EtherCAT P를 통해 전력 및 통신을 제공하는 데 터렛 하나당 IP65 등급 전원 공급 장치 하나면 충분하다. 기계 소형화, 성능 및 안정성 측면의 요건을 충족하는 데 AMP8000 서보 드라이브의 작은 설치 면적, 분산형 공급 모듈의 작은 크기 및 유연성, EtherCAT P의 최소화된 배선 작업이 필수적이었다.

Paolo Roversi는 다음과 같이 회상한다. “이러한 혁신적인 자동화 컨셉을 구현하는 일은 결코 만만하지 않았는데, Beckhoff 전문가들의 현장 지원 덕분에 모든 일을 쉽게 해결할 수 있었습니다. 게다가 단일 프로젝트 파트너와 협업하여 컨트롤 패널에서 드라이브에 이르기까지 모든 자동화 요소를 처리했기 때문에 복수의 공급업체와 협업할 때 발생했던 호환성 문제가 더 이상 발생하지 않았습니다.”

전원 전자 장치의 약 50%를 기계에 직접 배치하는 일관성 있는 분산 처리 방식은 설치 면적 측면에서도 긍정적인 영향을 미친다. 총 45개의 축이 있음에도 불구하고 기계 컨트롤 캐비닛이 매우 콤팩트하며 CX2040, EtherCAT 터미널 및 AX8000 시리즈의 추가 서보 드라이브를 위한 충분한 공간을 제공한다. Paolo Roversi는 다음과 같이 강조한다. “이 컨셉을 통해 비용, 재료, 공간 및 설치 작업량에 있어서 대폭적인 절감을 달성할 수 있었습니다.”

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Borghi는 EK1960 TwinSAFE Compact Controller(아래)와 상위 EtherCAT 터미널 세그먼트에 통합되며 CX2040 임베디드 PC에 직접 연결되는 추가 TwinSAFE 터미널로 안전 기능을 구현한다. © Beckhoff

인더스트리 4.0 및 미래에 대한 대비

오늘날의 기계는 모두 이제 인더스트리 4.0을 표준으로 염두에 두고 해당하는 연결성 및 센서 기술이 탑재된 완전체로 개발된다. Paolo Roversi에 의하면, Beckhoff는 표준화된 아키텍처를 사용하는 TwinCAT 3를 통해 프로그래밍 또한 간소화하였는데 이는 Borghi 입장에서는 새롭고 혁신적인 기술이었다. Paolo Roversi는 또한 다음과 같이 말한다. “Beckhoff 제품의 경우 미래 확장, 신규 모델 개발, OT/IT 통합을 위한 여유 공간도 충분합니다. Beckhoff의 PC 기반 제어 기술을 통해 이를 위한 확장성을 극대화하고 복수의 제어기 및 HMI를 단일 표준 하드웨어에 쉽게 통합할 수 있습니다.”

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[원본] FA저널 2024년도 8월호

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