서보 프레스

왜 배우는가: 서보 프레스는 기계식 프레스의 고정된 행정 운동을 제어 프로그램으로 바꾼 구동 방식이라 공정 설계와 금형 수명에 직접 연결된다. 시험에서는 기계식 프레스와 비교하는 형태로 묻는 경우가 많으므로, 정의와 원리를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제132회 4교시 2번, 제111회 1교시 7번, 제100회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

서보 프레스는 교류(AC) 서보모터로 램을 구동하여 램의 위치·속도·하중을 프로그램으로 자유롭게 제어하는 프레스이다.

서보 프레스는 electro-press라고도 부른다. 기계식 프레스가 플라이휠과 클러치·브레이크로 만들던 일정한 행정 운동을 서보모터의 회전력으로 대신하는 구동 방식이다. 회전력은 볼스크루 같은 직선 변환 기구를 거쳐 램을 직선 운동으로 밀어 내리는 힘이 된다. 기계식과 달리 램의 운동 형태가 기구 형상이 아니라 제어 프로그램으로 정해진다는 점이 가장 큰 차이이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 서보모터: 위치·속도·토크를 피드백으로 정밀하게 맞추는 구동원이다.
• 볼스크루: 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸는 나사 기구이다.
• 엔코더: 회전각과 위치를 펄스 신호로 검출하는 장치이다.
• 로드셀: 가공 중 작용하는 하중을 전기 신호로 검출하는 장치이다.
• 모션 프로파일: 램의 위치와 속도 변화를 시간에 따라 정한 궤적이다.
• 프리모션: 한 행정 안에서 구간마다 램 속도를 다르게 설정하는 제어 기능이다.

2. 개념 풀이

서보 프레스의 정식 정의는 다음과 같다. 서보 프레스는 서보모터의 회전 운동을 볼스크루 등의 직선 변환 기구로 바꾸어 램을 구동하고, 램의 위치와 하중을 피드백으로 함께 제어하는 프레스이다. 기계식 프레스와 달리 램의 속도와 정지 위치가 구조가 아니라 제어 프로그램으로 결정된다는 점이 핵심이다.

원리는 피드백 제어에 있다. 서보모터 드라이브는 제어기에서 받은 위치·속도 명령과 엔코더가 검출한 실제 상태를 비교하고, 그 차이를 줄이도록 전압, 주파수, 펄스 폭을 바꾸어 토크를 보정한다. 서보 프레스는 이 원리를 램에 적용한 것이다. 램의 위치는 엔코더가, 가공 하중은 로드셀이 검출한다. 두 값을 함께 사용하므로 위치 제어와 하중 제어를 한 기계에서 수행할 수 있다.

서보 프레스의 기본 구성은 제어기, 서보 드라이브, 서보모터, 감속 기구, 볼스크루, 램, 그리고 엔코더와 로드셀이다. 제어기는 PLC 또는 모션 컨트롤러로서 모션 프로파일을 명령으로 드라이브에 보내고, 드라이브는 모터 전류를 조절한다. 모터 회전은 감속 기구와 볼스크루를 거쳐 램의 직선 운동이 되며, 검출 신호는 다시 제어기로 돌아온다. 이 폐루프가 공정에 맞춰 램 속도를 바꾸는 바탕이다.

속도와 가속도는 모션 프로파일로 정해진다. 같은 거리를 이동 시간 T 동안 움직일 때 평균 속도는 이동거리를 T로 나눈 값이고, 가속도 크기는 T의 제곱에 반비례한다. 식으로 쓰면 v = s/T, a \propto 1/T^2 이다(s는 이동거리(m), T는 이동 시간(s)). 따라서 같은 행정이라도 이동 시간을 짧게 잡으면 속도와 가속도가 커지고, 그만큼 모터에 필요한 동력도 커진다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 모션 프로파일: 램이 하강, 가공, 복귀하는 동안의 위치, 속도, 가속도 변화를 정한 궤적이다. 등속, 사다리꼴, S자 곡선이 서보 제어에서 자주 쓰이며, 가속 구간을 완만하게 잡으면 기계 충격과 진동이 줄어든다.
• 프리모션: 한 행정 안에서 램 속도를 위치별로 다르게 설정하는 기능이다. 빠르게 접근하다가 소재에 닿기 직전에 느려지도록 설정하여 충격과 소음을 줄이고, 공정에 맞는 속도로 성형한다.
• 볼스크루: 나사축과 너트 사이에 볼을 넣어 마찰을 줄인 나사 기구이다. 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸며 램의 큰 하중을 받는다.
• 엔코더: 회전각 또는 직선 위치를 펄스로 세어 검출하는 장치이다. 피드백 정밀도를 결정하는 요소이다.
• 로드셀: 스트레인 게이지를 이용해 힘을 전기 신호로 바꾸는 하중 검출기이다.

그래프에서 기계식 프레스의 속도 곡선은 크랭크 기구가 정한 대략 대칭인 형태이며, 행정 중간 부근에서 최대가 된다. 서보 프레스는 같은 1회 행정이라도 모션 프로파일을 바꾸어 속도 곡선을 원하는 모양으로 만들 수 있다. 이 차이가 서보 프레스의 원리를 가장 잘 보여준다.

3. 등장 배경과 필요성

기계식 프레스는 크랭크나 편심 기구로 램을 구동하므로 행정 운동이 기구의 형상으로 정해진다. 램 속도는 크랭크 각도에 따라 자동으로 결정되어, 공정마다 속도를 바꾸려면 기계 구조 자체를 바꾸어야 하는 한계가 있다.