AGV 스핀들 방식의 릴 인계에서 정렬 공차를 지배하는 것은 스핀들 처짐이 아니라 차량 정지 위치 오차이며, 이를 흡수하는 형상 결합부의 안내 폭이 실질 설계 사양이다. EP4119475B1(특허권자 Manz Italy S.r.l., 우선권 IT 2021-07-12, 출원 2022-07-06, 등록공고 2024-09-04)은 차량에 실린 지지 스핀들이 릴을 자동 기계의 공급 유닛으로 넘기고, 차량에 실린 그리퍼가 릴의 초기 플랩을 잡아 풀림 경로를 따라 장력을 유지하는 시스템을 청구한다. 이 글은 인계 순간의 정렬 오차 예산을 수치로 분해한다.
1. 문제 정의 — 무엇이 스핀들 두 개를 한 축으로 만드는가
명세서 [0054]·[0055]에 따르면 차량 스핀들 8의 성형 단말 14가 공급 유닛 스핀들 5의 상보 형상 단말 15와 형상 결합한다. 릴은 이 결합부를 넘어 공급 유닛으로 밀려 간다. 두 스핀들이 동축이 아니면 릴 코어가 결합부 단차에 걸린다. 그렇다면 동축도를 무엇으로 확보해야 하는가. 스핀들 강성인가, 차량 위치 정밀도인가, 결합부 형상인가.
2. 기구학적 분석 — 청구항 구성요소
| 요소 | 청구항 1 구성 | 기구 해석 |
|---|---|---|
| E1 | 보관·수령 스테이션에서 교체 스테이션으로 릴을 운반하는 차량 7 | 위치 오차원 |
| E2 | 차량에 실린 지지 스핀들 8, 공급 유닛 4로 릴 인계 | 외팔보 + 형상 결합 |
| E3 | 차량에 실린 그리핑 부재 11, 초기 플랩 2a 파지·장력 유지 | 웹 장력 보조 |
명세서 [0035]는 차량을 베이스 몸체 10, 바퀴 21, 수직 지지대 20으로 이루어진 운반 대차로 기재한다. 스핀들은 지지대에 매달린 외팔보다.
3. 계산 검증 — 정렬 오차 예산
설계 가정값(현장 계측 후 재확인 요망): 릴 질량 80 kg($P$ = 784.8 N), 스핀들 고정단에서 릴 중심까지 $a$ = 250 mm, 스핀들 S45C 중실 Ø50(탄성계수 205,000 MPa, 항복 345 MPa), 차량 정지 위치 오차 ±2.0 mm, 지지대 기울기에 의한 오차 0.3 mm, 단말 끼워맞춤 틈새 0.05 mm.
$$\delta_s=\frac{P a^{3}}{3EI}=\frac{784.8\times 250^{3}}{3\times 205{,}000\times 3.07\times 10^{5}}=0.065\ \mathrm{mm}$$
$$\sigma=\frac{P a}{\pi d^{3}/32}=16.0\ \mathrm{MPa},\qquad SF_{1}=\frac{345}{16.0}=21.6$$
스핀들 처짐 0.065 mm, 강도 여유 21.6배다. 처짐 기울기는 0.022°로 결합부 각도 오차도 무시할 수준이다.
$$e_{worst}=2.0+0.065+0.3+0.05=2.42\ \mathrm{mm},\qquad e_{RSS}=\sqrt{2.0^{2}+0.065^{2}+0.3^{2}+0.05^{2}}=2.02\ \mathrm{mm}$$
RSS 기준 오차 분산의 98%가 차량 정지 위치에서 나온다. 스핀들을 두껍게 해도 정렬은 개선되지 않는다.
형상 결합부 안내 챔퍼 폭 $c$를 3.0 mm로 두면(가정) 다음과 같다.
$$SF_{2}=\frac{c}{e_{worst}}=\frac{3.0}{2.42}=1.24$$
최악 조건 여유가 1.24배로 얇다. 챔퍼를 4.0 mm로 넓히면 1.66배가 된다. 또는 교체 스테이션에 기계식 위치결정(도킹 핀)을 두어 차량 오차를 0.5 mm로 줄이면 최악 오차는 0.92 mm, 3.0 mm 챔퍼 기준 여유는 3.3배가 된다.
4. Shop-notes
- 도킹 핀이 챔퍼보다 우선. 챔퍼 확대는 결합 후 유격을 늘릴 수 있다. 교체 스테이션 바닥 또는 설비 프레임에 테이퍼 도킹 핀을 두어 차량을 기계적으로 구속하는 쪽이 오차원을 직접 줄인다.
- 가공성. 성형 단말 14와 상보 단말 15는 한 쌍으로 가공하고 짝 번호를 각인한다. 스핀들은 단말부와 일체 선삭해 동심도 0.02 mm를 확보한다.
- 대안 기구 — 공급 유닛측 플로팅 스핀들. 공급 유닛 스핀들을 반경 방향으로 떠 있게 하면 오차를 받아준다. 미채택 사유: 운전 중 릴 회전 안정성이 떨어지고, 권출 장력 제어의 경계조건인 축 강성이 낮아진다.
- 안전. 초기 플랩을 잡은 그리퍼와 롤러 사이는 인입(말려 들어감) 위험 구간이다. 인계 중 방호 영역에 작업자 진입 감지 시 정지하도록 한다.
5. 설계 반영 체크리스트
- 정렬 오차를 차량·지지대·스핀들·끼워맞춤 항목으로 분해했는가
- 최악값과 RSS를 모두 계산했는가
- 형상 결합부 안내 폭 기준 $SF_2$ ≥ 1.5를 확보했는가
- 교체 스테이션 기계식 위치결정 여부를 결정했는가
- 플랩 그리퍼 인입 구간 방호를 반영했는가
확인 필요 항목
- 명세서에는 치수·질량·속도 수치가 기재되어 있지 않다(EPO 공보 전문 확인). 본문 수치는 전부 가정값이다.
- 차량 정지 위치 오차는 AGV 사양서 및 현장 계측 후 재확인 요망.
한줄요약: 릴 인계 정렬 오차 2.42 mm 중 스핀들 처짐은 0.065 mm뿐이므로, 설계 자원은 스핀들 강성이 아니라 차량 위치결정과 결합부 안내 폭에 써야 한다.
출처: EP4119475B1 「System for replacing a reel of material for the production of electrical energy storage devices and related method」 청구항 1, 명세서 [0035]·[0054]·[0055].