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기발한 구조로 만들어낸 5축 가공의 신세계 – 현대위아의 수직형 동시 5축 머시닝센터 XF8500

현대위아는 2010년 Hi-Mold560/5A 출시를 시작으로 5축 가공기를 판매해 왔다. 2013년 전세계 최고 수준의 연구진으로 이루어진 현대위아 유럽 연구센터를 오픈한 현대위아는 2016년 말 XF6300을 출시했다. 기계구조, 동시제어 등 기계의 기본적인 메커니즘 설계부터 시제품 조립까지 고품질의 제품생산을 위한 모든 분야에 만전을 기한 XF 시리즈는, 출시 후 1년 만에 그 동안 현대위아가 판매했던 모든 5축기 판매량을 넘어설 정도로 성공적이라는 평가를 받고 있다. 2019년 말, 완전히 새로운 프레임의 고정밀 수직형 동시 5축 머시닝센터인 XF 시리즈의 설계를 그대로 이어받은 후속작 XF8500이 출시되었다.

XF8500은 장시간의 예열이 없는 즉시 가공 시에도 가공 결과물 기준 전 구간에서 10μm 이내의 정밀도를 나타낸다.
XF8500은 장시간의 예열이 없는 즉시 가공 시에도 가공 결과물 기준 전 구간에서 10μm 이내의 정밀도를 나타낸다.

혁신적인 프레임 구조
XF8500의 가장 눈여겨 볼 부분은 그 구조에 있다. 우선 XF8500은 주철로된 일체형 베드 및 컬럼 구조를 채용해 강성을 확보했다. 뿐만 아니라 열변형에 유리한 좌우 대칭 갠트리 구조를 채택하고 있는데, 특히 주축을 X, Z축 새들(Saddle) 내에 위치시키는 ‘박스인박스(Box-in-Box)’ 구조로 설계한 것이 특징적이다. 대부분의 머시닝센터는 그림(1)과 같이 이송 방향이 비대칭이어서 가이드웨이와 Z축 사이에 발생하는 변형으로 인해 정도에 영향을 받을 수 있는 구조다. 반면, XF8500의 ‘박스인박스’ 구조는 이송 방향에 대해 100% 대칭적인 구조로 열적 평형 구조를 실현해 열변형을 최소화 할 수 있다.

그림(1) 일반적으로 많이 사용되는 이송 방향이 비대칭인 구조. 가이드웨이와 Z축 사이에 발생하는 변형으로 인해 정밀도에 영향을 받을 수 있는 구조다.
그림(1) 일반적으로 많이 사용되는 이송 방향이 비대칭인 구조. 가이드웨이와 Z축 사이에 발생하는 변형으로 인해 정밀도에 영향을 받을 수 있는 구조다.
주축을 X, Z축 새들(Saddle) 내에 위치시키는 ‘박스인박스(Box-in-Box)’ 구조로 설계했다.
주축을 X, Z축 새들(Saddle) 내에 위치시키는 ‘박스인박스(Box-in-Box)’ 구조로 설계했다.
XF8500의 ‘박스인박스’ 구조는 이송 방향에 대해 100% 대칭적인 구조이다.
XF8500의 ‘박스인박스’ 구조는 이송 방향에 대해 100% 대칭적인 구조이다.

변위센서 방식 열변위 보정
5축 가공에 있어서 열변위는 골칫거리 중에 하나이다. 특히 우리나라 처럼 사계절이 뚜렷한 경우는 열 변형 문제에 더욱 민감할 수밖에 없다. 그래서, 기존에는 장비에 온도 센서를 부착해 온도 센서의 온도를 기준으로 열변위를 예측해서 보정하는 ‘8채널 온도센서 보정’이 많이 쓰이고 있다. 보통 온도 센서는 카트리지와 푸셔 등 주축에 2개, 새들, 브라켓, 에어유니트 등의 구조물에 6개로 총 8개를 장착한다. 온도 변화를 센서가 인지하면 ‘온도가 이만큼 올라가면 이정도 변형이 된다’라고 기 입력된 알고리즘에 따라 변위량을 조정하게 된다. 실제 변위가 아닌 추정치를 사용하는 방식이다. 어떤 장비의 경우 30개 이상의 온도 센서를 장착하는 경우도 있는데, 센서가 많으면 좀더 정확하게 온도를 측정할 수는 있겠지만 변위의 추정치를 이용한다는 한계는 잔존해 있다.

반면, XF8500은 8채널 온도센서 보정 방식에 변위센서를 추가해 보정하는 방식을 사용한다. 주축 카트리지에 하드웨어 변위센서를 부착해 가공시 발생하는 열변위량을 직접 인식하여 실제 변위량 만큼 보정하는 방식으로, 이 방식은 상당한 기술을 요하는 것으로 알려졌다. 변위량을 추정치가 아닌 실제 값을 바탕으로 보정하는 것이다. 실제로 XF8500의 변위센서 방식은 기존의 8채널 온도센서 방식 대비 열변위를 50% 개선할 수 있었다고 한다.

고강성, 고정도 가공을 위한 구성들
XF8500은 직교축과 회전축 모두에 리니어스케일과 로터리엔코더를 표준 적용해 고정도 가공이 가능하게 했다. 직교축에 적용한 리니어 스케일은 정도 유지에 유리하도록 볼스크류에 근접하게 위치 시켰고, 가공 영역에서 분리시켜 리니어스케일의 오염 및 파손요소를 최소화했다. 또한, 앱솔루트타입 스케일을 적용해 장비 재시작시 원점 복귀 작업이 필요없다. 회전축인 A축에는 정밀도가 5초미만인 로터리 엔코더, C축에는 스케일이 내장된 베어링을 적용했다.

XF8500은 빌트인 DDM 모터를 양쪽에 장착하는 탠덤타입 로터리 테이블을 표준으로 적용했다.
XF8500은 빌트인 DDM 모터를 양쪽에 장착하는 탠덤타입 로터리 테이블을 표준으로 적용했다.

일반적으로 로터리 테이블의 A축(B축)에는 벨트나 기어 또는 직결 등의 체결 방식이 사용된다. XF8500은 빌트인 DDM(Direct Drive Motor) 모터를 양쪽에 장착하는 탠덤타입 로터리 테이블을 표준으로 적용했다. 5축 가공 시 사이클타임을 단축하기 위해서는 로터리 테이블의 부드러운 모션이 필수적이기 때문이다. 뿐만 아니라 컬럼의 하우징에 A축을 결합한 구조로 설계해 고강성, 고정도까지 실현할 수 있었다.

컬럼의 하우징에 A축을 결합한 구조로 설계해 고강성, 고정도까지 실현할 수 있었다.
컬럼의 하우징에 A축을 결합한 구조로 설계해 고강성, 고정도까지 실현할 수 있었다.

옵션으로 제공되는 테이블 터닝 기능을 사용하면 머시닝센터에서 터닝 가공이 가능해 가공영역을 확대하는 요과를 얻을 수 있다. XF8500의 터닝 테이블 사양은 최대 회전속도 800rpm, A축 최대토크 4,300Nm, C축 최대토크 1,510Nm이다.

가공물 기준 10μm 이내의 고정도 실현
앞서 이야기 한 혁신적인 프레임 설계, 변위센서를 이용한 열변위 보정, 고정도를 위한 다양한 구성 등이 결합된 결과로, XF8500은 장시간의 예열이 없는 즉시 가공 시에도 가공 결과물 기준 전 구간에서 10μm 이내의 정밀도를 나타낸다. 이렇게 고정도의 장비이다 보니 XF 시리즈가 국내 공작기계 시장에서 경쟁하게 되는 장비는 고가의 수입 장비다. 외산 장비가 국산 장비 대비 가질수 밖에 없는 것이 A/S에 대한 핸디캡인데, 국산 공작기계 메이커로서 현대위아는 부품 조달율(Fill rate) 96% 확보, 전국 40여 개의 서비스 센터망 보유를 바탕으로한 A/S를 중요한 장점으로 내세우고 있다. 현대위아 마케팅팀의 박주철 책임매니저는 “XF 시리즈에 대해서는 ‘THE EXCELLENT 서비스’라는 이름으로 전문 상담원을 배치하고 전문 필드서비스 인원을 배정하는 등의 차별화된 서비스를 제공하고 있다.”라며, “고정밀 장비를 사용하는 만큼 기대치가 높을 수 밖에 없는 XF 시리즈 사용자들로부터 좋은 반응을 얻고있다.”라고 밝혔다.

고정밀 수직형 동시 5축 머시닝센터인 XF 시리즈의 설계를 그대로 이어받은 후속작 XF8500.
고정밀 수직형 동시 5축 머시닝센터인 XF 시리즈의 설계를 그대로 이어받은 후속작 XF8500.
현대위아 마케팅팀의 박주철 책임매니저
현대위아 마케팅팀의 박주철 책임매니저

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.