대형공작기계의 랙앤피니언 드라이브 애플리케이션

대형공작기계의 랙앤피니언 드라이브 애플리케이션

<디엠지>의 ‘DMU 600P’ 밀링머신과 의 랙앤피니언 드라이브 컨셉

공작기계가 큰 공작물을 가공하기 위해 대형으로 설계될 경우, 중량의 가공물을 안정적으로 이동시키기는 방안을 고려하게 된다. 기계가 클수록 각축의 이동 거리가 길어지게 되는데, 여기서는 이동량의 한계를 나타내는 볼스크류 대신 랙앤피니언 시스템을 채용하는 것이 보편적이다. 최신 포털 밀링머신에서 최상의 정밀 머시닝을 실현하기 위해 독일의 <디엠지>는 의 랙앤피니언 드라이브를 선택했다. 랙앤피니언 시스템의 대형 공작기계 애플리케이션 내용이다.

차체부품 금형, 선박 엔진하우징 등의 가공을 위해


일본의 <마작>과 함께 세계 공작기계 기술을 선도하는 독일의 <디엠지(DMG)>는 淪� 부품의 가공을 위한 대형 밀링머신의 각 축에 랙앤피니언(Rack and Pinion) 드라이브를 채용했다. 이로써 대형 기계에는 랙앤피니언 드라이브 채용이 보편적이라는 점이 다시 확인된다.
<디엠지>의 포털 타입 ‘DMU 600P’ 밀링머신은 최고 40톤의 대형 컴포넌트를 매우 빠른 속도로 이동시키고 정밀하게 가공하기 위해 디자인되었다. 단일 설정으로 이 5축 시스템을 매우 다양하게 구현하기 위해서는 혁신적인 드라이브 시스템이 핵심적인 요소가 된다. 디엠지는 이를 위해 프랑스의 첨단 랙앤피니언 유성형 감속기 공급업체인 와 함께 협력했다.
즉 디엠지의 ‘DMU 600P’는 정밀 드라이브 분야에 전문성을 보유한 유럽 기업 의 트윈드라이브(Twin Drive) 랙앤피니언 드라이브 시스템을 X축, Y축, C축에 적용한 것이다. 덧붙이자면 REDEX 정밀 드라이브는 다른 드라이브 축 및 메인 밀링 스핀들 드라이브에 사용되기도 한다.
공작기계의 랙앤피니언 드라이브 적용은 대형 부품의 정밀가공에서 요구됐던 이슈였다. 즉 대형 부품의 가공을 위한 대형 기계에서 기존 볼스크류 방식의 Z축 이동량 한계를 극복하기 위해 적용하는 것이 랙앤피니언 드라이브 시스템이다. 이동량 뿐 아니라 과거와는 달리 요즘은 차체 부품을 위한 금형이나 스탬핑처럼 대형의 정밀한 제품을 가공할 경우에도 최고의 정밀도가 요구된다. 선박용 디젤 엔진 하우징을 위한 머시닝 요건 또한 부품이 크고 요구 정밀도는 까다롭다. 대형 부품이라면 가공 부품의 무게는 수 톤에 이르며, 일반적으로 길이는 수 미터에 달하는 부품들을 말하는데, 크기와는 달리 여기에 요구되는 정밀도는 매우 높아 마이크로미터 단위의 제어가 필요하다.
현재 이러한 대형 부품의 가공에서 정밀도까지 확보할 수 있는 기계의 설계에서 드라이브의 선택은 랙앤피니언 드라이브라는 것이 주도적 견해다.

대형 컴포넌트의 정밀 머시닝


디엠지는 이러한 현장의 요구에 따라 큰 부품의 정밀한 가공이라는 뚜렷한 목표를 세우고 DMU P 시리즈 포털 밀링머신을 개발했다. 이 설비 시리즈에서 가장 큰 모델인 DMU 600P(그림 1)는 특별히 ‘XXL 규격’의 정밀, 고속 머시닝을 위해 설계되었으며, 6000×4200×1500밀리미터(X·Y·Z축) 및 W축 최고 2000밀리미터의 최대 이동거리에서 고정밀 밀링 및 선삭 가공을 수행한다. 밀링과 터닝의 복합 기능 설비다.
복합 기능의 설비는 고정밀도와 생산성 향상이라는 요구에 대응하기 위해 개발한 기계로서 그 자체가 정밀도, 생산성을 대변한다. 왜냐하면 가공물을 한 번 세팅하여 밀링과 터닝을 수행한다는 것은 여러 번의 세팅으로 발생하는 오차를 줄인다는 정밀도 향상이 전제되어 있으며, 역시 세팅 시간을 줄여 생산성에 기여한다는 의미까지 포함하고 있기 때문이다.
디엠지는 일반적으로 ‘대형’이라고 부를만한 주문형태의 대형 공작기계를 생산하지는 않는다. 주문제작 방식의 대형 기계 제작업체가 아니라 양산 기계의 개발 생산 기업이기 때문에 DMU P-시리즈 포털 밀링 머신은 이 회사의 ‘대형 기계’에 속하는 편이다. 따라서 ‘XXL 규격’은 DMU P-시리즈 중 이 회사가 정한 가장 큰 기계라고 이해하면 된다. 디엠지는 DMU 600P를 ‘XXL 유니버셜 밀링머신’이라고 하기도 한다.
DMU P-시리즈가 가공할 수 있는 대략적인 부품의 무게는 최고 40톤에 이른다. 동시에 DMU 600P는 한 번의 설정으로 5축 선삭과 밀링을 수행하도록 복합 기능 장비로 설계되었기 때문에 최고 속도 및 최고의 유연성을 보장해야 하고, 또 이 요구에 부응한다. 이 기계의 유연성을 예로 들면, 밀링 헤드가 교체된다는 것을 꼽을 수 있다. 따라서 자동차 부품을 위한 금형가공부터 최고 정밀도를 요구하는 항공우주 산업까지를 포괄하는 유연성을 발휘할 수 있다. 한편 최대 안정성과 장시간 정밀성을 위해 포털 구조를 취하고 있는 것도 특징이다.
앞서 말했듯이 이 기계가 겨냥하는 가공 부품은 차체 부품의 금형이나 선박용 디젤 엔진 하우징, 항공우주산업의 부품, 풍력발전기 부품 등 비교적 대형 부품에 속하는 것들이다. 문제는 이들 부품의 가공에서 요구되는 정밀도와 생산성이다. 디엠지의 자체 평가에 의하면 DMU 600P는 동급 기계 중 가장 뛰어난 위치 정밀도를 갖는 것으로 소개된다. 이송거리 6미터에서 위치 지정 정확성은 15㎛.

DMU 600 P’의 메인 축을 보여주는 구조. DMU 600P 5축 포털 밀링머신은 정밀하고 유연한 대형 컴포넌트 머시닝을 위해 개발됐다.

볼스크류 방식의 이동량 한계를 극복


기계 설계를 하는데 있어 디엠지 디자이너에게 가장 큰 도전과제 중 하나는 이러한 긴 구동 거리에서도 매우 높은 수준의 가공 정밀도를 보장하는 것이었다.
고정밀도의 가공을 위해서는 선형 드라이브가 여기에서 중심 역할을 수행한다. 독일 프론텐에 있는 디엠지의 프로젝트 매니저인 플로리안 가르바스키는 “이 드라이브는 수천 시간 이상 운영되는 동안 일관된 정밀도와 백래시의 제로, 그리고 60kw의 모터 스핀들과 직결하여 사용할 수 있는 강한 힘을 갖추고 있어야 한다”고 말한다.
그림에서 보면 DMU 600P는 대형임을 알 수 있다. 6미터 이상의 이동거리를 갖고 있는 기계다. 하지만 이 장비는 최고 ±0.0075밀리미터의 정밀도와 최고 3m/s2의 가속도를 달성했다. 따라서 완벽한 기계를 디자인하기 위해서는 최고 수준의 정밀도와 강성, 그리고 낮은 발열특성이 전제 되어야 한다. 이러한 긴 이동거리와 정밀도를 얻기 위하여 볼스크류는 검토대상에서 제외됐다. 볼스크류 방식의 이동량 한계 때문이다.
이동량의 한계가 없는 랙앤피니언 시스템은 기계 설계에 있어 유연성과 조립의 용이성을 제공한다. 개발하고자 하는 기계에 따라 다양한 이동거리 요건, 즉 길이에 얼마든지 대응하면서 연장하면 원하는 기계의 설계와 구성이 가능해 진다. 사실상 무한대의 Z축 이동거리를 구현할 수 있다는 것이다.


랙앤피니언 드라이브의 강성


디엠지의 DMU P-시리즈의 랙앤피니언 시스템 애플리케이션 외에도 대형 기계에 랙앤피니언 시스템을 적용한 사례는 국내에서도 드물지 않게 찾아 볼 수 있다. 국내 대형 공작기계 전문 기업이 랙앤피니언 방식을 채용하여 롤 선반의 개발에 성공한 것도 하나의 사례로 들 수 있고, 현재도 국내 여러 공작기계 업체들이 이 방식의 설비를 개발 중이다.
랙앤피니언 방식의 장점 중 하나가 큰 하중의 가공물을 더욱 빠르게 이동시키는 성능을 가능케 한다는 점인데, 이를 위해 강성은 중요한 조건이다. REDEX의 랙앤피니언 드라이브 시스템의 강성 확보는 고강성의 베어링과 피니언을 직접 피니언 샤프트에 일체형으로 제작한 것을 꼽을 수 있다. 베어링은 2개의 대형 테이퍼 롤러 베어링으로 구성되었으며, 기어박스 하우징 역시 최대한 견고하게 설계되었다.
일체형 출력 피니언과 고강성의 출력 베어링을 탑재하도록 설계된 이 랙앤피니언 드라이브 시스템의 출력 피니언은 랙에서 토크와 강성 간 최적의 균형을 유지하도록 샤프트와 동일한 직경으로 가공된다. 출력 베어링은 예압이 가해진 대형 테이퍼 롤러 베어링 두 개로 구성되어 있다. 고정 너트의 두께만이 피니언과 출력 베어링 사이의 간격을 이루고 있으므로 이 구조는 베어링이 가능한한 하중이 가해지는 지점에 가깝도록 피니언을 지지할 수 있다. 이 설계는 아직 기존 시스템이 제대로 처리하지 못하는 레이디얼 변형량을 상당히 줄여, 결과적으로 더 큰 하중을 빠른 속도로 이동시키는 성능 때문에 동적인 정밀도가 향상된다. 바로 낮은 관성과 고강성의 결합이 이런 빠른 가속을 가능케 하는 것이다.
강성 레벨을 보장하기 위해 디엠지 디자이너들은 적합한 드라이브 시스템 선정에 매우 심혈을 기울였다. 플리언 가르바스키는 “우리는 REDEX의 백래시가 없는 랙앤피니언 드라이브 사용을 결정하기 전에 광범위한 벤치마킹을 수행했다”고 설명했다. C축(스핀들 헤드의 회전축)에서조차 트윈드라이브 정밀 드라이브는 고정밀 모션 및 포지셔닝이 유지되었다. 또한 주목할 점은 W-포털 축의 2개의 수직 볼 스크류는 REDEX의 2개의 SRP2 서보-유성 감속기를 통해 동기화되었다는 것이다.
또한 높은 생산성과 낮은 속도에서 높은 토크 특성을 얻기 위해 REDEX의 RAM 시리즈인 수냉식 2단 변속 기어박스가 램 내부의 스핀들과 드라이브 모터 사이에 인라인으로 탑재되었다.

DRP TwinDrive. 제로-백래시 트윈드라이브 턴키 컨셉을 통해 X축의 6m 이동거리에서 고정밀 포지셔닝을 달성할 수 있다.

X·Y축 백래시 제로의 ‘트윈드라브’ 랙앤피니언 드라이브

기계적 원리에 따르면, 기존의 랙앤피니언 드라이브 시스템에는 위치 정밀도에 영향을 미치는 약간의 백래시가 항상 존재하는 것으로 알려져 있었으며 이를 한계로 인식하고 있었다. 하지만 이러한 한계는 REDEX의 ‘트윈드라이브’ 시스템에는 적용되지 않는다. REDEX는 100%의 ‘제로 백래시’ 랙앤피니언 드라이브를 구현하는 방법을 찾아냈다.
랙앤피니언 드라이브의 백래시 제로 기본 원리는 전자적으로 동기화된 2개의 완벽한 드라이브를 병렬(모터+유성 감속기)로 사용했다는 것이다. 2개의 서보 모터 중 하나는 드라이브로 동작하고, 다른 하나는 브레이크로 동작하기 때문에 2개의 피니언 및 랙 사이에서 일관된 예압이 가능하다.
이 솔루션은 백래시를 완벽하게 제거하고 최고의 정밀 모션 및 포지셔닝을 제공한다. 이러한 원리를 통해 DMU 600P는 6000mm 길이의 X축은 물론 4200mm 길이의 Y축과 C회전축에도 랙앤피니언 드라이브의 적용이 가능했던 것이다.
X축에는 턴키 드라이브 솔루션인 DRP가 채택되었으며, 여기에는 2개의 서보 모터를 갖춘 2개의 유성기어 감속기가 포함되어 있다. 한편 Y축에는 장비의 Z 캐리지 좌우에 꼭 맞는 KRPX 유성 감속기를 사용하는 것이 더 나은 선택이었다. 그런 다음 DRP를 스핀들 회전축(C축)에 다시 사용하였다. 이후 장비의 CN 전자제어를 통해 각각의 트윈드라이브 시스템의 동기화 및 프리로드가 수행되었다.

견고한 선형 드라이브를 통해 높은 가속도 및 최대 정밀도 구현


정밀도를 확보하기 위해 드라이브의 백래시 제로 특성은 절대적으로 필요한 상황이다. 이를 통해 최대 정밀도 및 최상의 표면 품질에 대한 요구 수준에 도달할 수 있다. 하지만 대형 부품의 가공에는 이것만으로는 충분하지 않다. 드라이브의 강성, 견고함을 통해 축의 안정적 이동이 보장돼야 한다.
강성의 확보는 대형·중량 가공물의 정확한 이동, 이후의 정밀한 가공에 절대적인 영향을 준다. 강성은 바로 가공품질과 직결되어 있다.
강성만큼 중요한 것은 발열 관리 및 탁월한 구동정밀도인데, 이들 조건을 만족시키는 것이 REDEX 유성 기어박스가 가지고 있는 핵심 강점이다. 따라서 이 드라이브는 모든 방향에서 매우 견고하며, 뛰어난 위치 정확성과 표면 가공 및 안정성을 달성할 수 있다.
이러한 기능을 보장하기 위해 기어박스와 잘 맞는 고강성의 베어링과 피니언을 직접 피니언 샤프트에 일체형으로 제작했다. 이 베어링 조립은 2개의 대형 테이퍼 롤러 베어링로 구성되었다. 기어박스 하우징 또한 매우 정밀하게 가공되었으며, 작업 방향에 상관없이 다양하게 사용할 수 있도록 최대한 견고하게 설계되었다.
이러한 설계는 안정적으로 매우 높은 토크를 보장하는 것은 물론 레이디얼 벤딩을 비롯한 모든 다른 방향에서도 최상의 강성을 유지한다. REDEX가 수행한 광범위한 테스트에 따르면 랙앤피니언 애플리케이션에서 약 60%의 변형량을 달성했다.
이를 통해 벤딩이 급격히 감소했으며, 축의 고유 진동수는 매우 크게 향상되었다. 또한 보다 높은 정밀도 요건에 부합하면서도 보다 높은 가속율과 더 무거운 물체 이동 등이 가능해졌다.

다면적 컨셉, 턴키 솔루션을 제공받을 수 있다

RAM 내부에 인라인으로 통합된 2단 변속 기어박스는 거친 절삭을 위한 저속의 높은 토크나 고품질 마감을 위한 고속의 저토크 작업이 가능하다.

다양한 REDEX의 제품 범주는 머신툴 드라이브 애플리케이션에 특화되어 있으며, 엔지니어들이 요구하는 기술적인 수준과 상관없이, 즉 기술적으로 제한을 받지 않고 드라이브 라이브러리를 선택할 수 있다.
REDEX는 디엠지가 전기적 동기화를 선택한 것처럼, 기계적 혹은 전기적 예압을 통해 여러 다양한 형태의 랙앤피니언 컨셉을 제공한다. 다른 한편으로 이 시스템은 모든 종류의 범용 서보 모터와 기어박스/기어박스 조립체를 포함할 수 있다.
예를 들어, DMU 600P C축(스핀들의 회전축)을 위해 디엠지는 유니버설 하우징에 함께 탑재되어 있는 2개의 서보-유성 감속기가 결합된 트윈드라이브와 DRP를 선택했으며, 이는 완벽한 턴키 드라이브 솔루션이다.
한 공급업체로부터 여러 형태의 랙앤피니언 컨셉을 제공받은 것도 역시 DMU P 시리즈 사례다. DMU 600P 디자인을 간단히 살펴보면, ‘트윈드라이브’ 랙앤피니언 솔루션과 함께 REDEX가 제공하고 있는 머신 툴 제조업체를 위한 다른 많은 우수한 드라이브를 쉽게 확인할 수 있다.
컴팩트한 구조를 위해 2-스피드 기어박스인 RAM시리즈를 기계의 메인 스핀들에 내장하고, 밀링헤드의 교환은 서보모터용 감속기인 SRP시리즈를 이용한다. 따라서 디엠지는 이러한 고성능 머신 상의 모든 드라이브 축을 위해 동일한 공급업체를 선택하는 효율성의 원칙을 따랐다. 이는 거의 모든 엔지니어의 요구조건에 기술적 해답을 제공하는 REDEX의 광범위한 제품군 포트폴리오가 없었다면 불가능했을 것이다.
또한 디엠지가 고려했던 또 다른 핵심 이슈는 디자인의 초기 단계에서부터 최종 시운전에 이르기까지 REDEX가 제공하는 포괄적인 지원이었다. 이는 특히 랙앤피니언 드라이브를 처음 사용하는 경우 매우 중요하다. 여러 번의 산출 및 최적화, 설계 조언은 물론 작업장에서의 설정 지원을 통해 REDEX는 머신-툴 드라이브 사용에 대한 매우 뛰어난 지원을 제공할 수 있으며, 이를 통해 머신의 성공적 구현에 상당히 기여할 수 있다.
플로리안 그라바스키는 마지막으로 “DMU P 시리즈 장비는 전세계에 출시되었으며, 대형 컴포넌트에 대해 정밀하고 빠르며, 비용에 있어 효율적인 머시닝을 필요로 하는 분야에서 막대한 수요가 일고 있다”고 덧붙였다.
마지막으로 호평되는 것은 디엠지를 위한 REDEX의 드라이브 컨셉은 기술적 측면뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 성공했다는 것이다. 기계제조업체를 대상으로 한 비용증가 조사에 따르면, REDEX는 자사의 랙앤피니언 드라이브로 X축 상에서 6m 이동거리 적용 시 다른 비슷한 정확도의 기술 솔루션들과는 비교할 수 없을 정도의 최적의 TCO(Total Cost of Ownership)를 제공했다.

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