리니어 다축 자동화 솔루션을 설계하고 지정하는 효율적 방법

다축 시스템은 다양한 공정에서 사용되는 제어식 이동 기술의 큰단면으로, 주로 자동화된 산업 및 제조 분야에서 하중을 들어 올리고, 위치에 놓고, 이동하는 데 사용된다.

일반적으로 이러한 시스템은 리니어 또는 회전 같은 다축 이동을 달성하는 방법 또는더 복잡한 움직임을 특징으로 하는 관절식 시스템으로 설명된다. 이 기사에서는 리니어 다축 시스템에 초점을 맞추고 다양한 유형과 구성 및 기본 설계 고려 사항을 검토하기로 한다. 이러한 고려 사항은 특정 응용 프로그램 요구 사항을 충족하기 위해 사전 엔지 니어링된 시스템, 수정된 시스템 및 맞춤 설계된 시스템을 탐색하는 데 도움이 될 것이다.

▲ 리니어 다축 시스템은 데스크톱 크기의 픽 앤 플레이스 솔루션부터 방 크기의 제조및 조립 시스템에 이르기까지 다양한 공정에 사용된다.

리니어 다축의 기본 사항
 

정확성, 반복성, 힘, 그리고 다용도성으로 인해 널리 사용되는 리니어 시스템은 1차원(단축), 2차원(X-Y축), 또는 3차원(X-Y-Z 축)으로 구성될 수 있다. 리니어 모션 시스템은 점과 점을 직선으로 효율적으로 이동하도록 제어되지만, 많은 응용 분야에서는 더복잡한 움직임이 필요하다. 다축 시스템은 두 개 이상의 축에서 리니어 운동을 동기화하여 복잡한 궤적과 매우 역동적인 움직임을 실행한다.

회전 관절 또는 관절식 시스템으로 움직이는 복잡한 로봇 팔과 달리, 리니어 시스템은 X, Y, Z 세 개의 직교축을 따라 점과 점을 연결하는 움직임을 용이하게 한다. 이러한 움직임은 수직, 수평, 측면으로의 이동에 해당하는최대 3개의 슬라이딩 축을 생성한다. 이러한 유형의 리니어 로봇과 다축 시스템은 3차원 공간에서 위치를 표시하는 데 사용되는 데카르트 좌표계의 이름을 따서 ‘데카 르트 시스템’이라고도 한다. 회전 구성 요소(Rx, Ry,Rz)도 각 축에 추가할 수 있다. 이를 통해 기존 6축 로봇보다 훨씬 더 넓은 기능 범위를 가진 최대 6축 구성을 달성할 수 있다.

▲ 직교 시스템은 위치 정확도, 속도, 반복성 측면에서 회전식 또는 관절식 로봇 팔보다 성능이 뛰어나다.

직교 시스템(Cartesian Systems)
 

직교 시스템의 기본 설계는 3개의 리니어 액추에이터로 구성되어 있다. 각 액추에이터는 규정된 X-Y-Z축(또는 2축 시스템의 경우 X-Y)을 따라 이동하도록 설계되어 있으며, 모션 컨트롤러에 의해 동시에 조정된다.

사전 조립 및 사전 구성 시스템이 제공되거나, 여러 유형의 리니어 액추에이터와 구동 메커니즘을 사용하여 애플리케이션 요구 사항에 맞게 다축 시스템을 설계하고 맞춤 제작할 수 있다. 이러한 다축 시스템은 위치 정확도, 속도,도달 범위, 반복성 측면에서 회전식 또는 관절식 로봇 팔보다 성능이 뛰어나 다. 향상된 성능 요소와 낮은 비용으로 인해 이러한 시스템은 많은 애플리케이션에서 보다 실용적인 선택이다.

효율적인 움직임을 제공하기 위해, 직교 시스템은 종종 오버헤드 구성으로 구축된다. 시스템의 기본 축(X)은 일반적으로 전체 길이를 따라 고정되어 있지만, 나머지 두 축(Y, Z)은 캔틸레버 방식으로 되어 있다.

이로 인해 직교축을 따라 움직이는 개별 액추에이터에 의해 기본 축에 토크가 발생하기 때문에 범위와 탑재하중이 제한된다. 일반적으로 이러한 유형의 매우 정확하고 반복 가능한 직교 시스템은 1미터 이하의 이동 거리를 가진 제한된작업 영역에서 자동화된 프로세스에 사용된다. 이 설계는 픽 앤 플레이스, 가벼운 조립, 디스펜싱과 같은 가벼운 작업에 적합하지만, 보다 견고 하고 중량급 산업용 작업에 적합한 향상된 설계가 가능하다.

▲ 2축 XX'-Y(D) 갠트리 / 2축 XX'-YY'(D) 갠트리 / 3축 XX'-Y(D)-Z 갠트리 / 3축 XX'-YY'(D)-Z 갠트리

갠트리 시스템(Gantry Systems)
 

다축 로봇의 캔틸레버 제한을 극복하기 위해 갠트리 시스템은 범위와 많은 경우 탑재 하중을 크게 확장한다. 일반적으로 갠트리의 주요 설계 특징은 두 번째 평행 기본 축(XX)을 추가하고 두 번째 축(Y)이 기본 축을 가로지르는 것이다.

평행 Y축(XX-YY)을 추가하면 강성과 부하 용량을 더욱 높일 수 있다.양쪽 끝에서 평행축을 지지하는 비지원 캔틸레버 구성을 제거함 으로써, 갠트리 시스템은 많은 산업 및 제조 공정 분야에서 선택 되는 설계이다. 이 개선된 지지 구조는 더 무거운 탑재 하중, 더긴 스트로크, 더 큰 안정성을가능하게 한다.

작업 범위 위에 축이 위치한 공간 효율적인 갠트리 시스템은 작업 범위의 거의 전체를 사용하며, 공격적인 하중과 스트로크 길이 요건을 가진 작업에 이상적이다. 갠트리 시스템은 수천 파운드와 60인치 이상의 스트로 크를 지원할 수 있다.그러나 효율적인 2축 및 3축 갠트리 시스템은 스트로크 길이와 작업 공간이 24인치보다 작은 소규모 작업에서도 흔히 볼 수 있다. 일반적으로 더 큰 중량, 더 긴 거리 또는 더 높은 힘 범위의 응용 분야에는 맞춤형 갠트리 솔루션이 필요하다. 맞춤형 솔루션은 유연성, 속도, 효율성 및 처리량을 극대화하기 위해 무한한 조합을 만들어 낸다.

▲ 코봇 관절형 암과 트윈 프로파일 레일 스테이지(Twin profile Rail Stage) 액추에이 터는 7 자유도를 만들어 더 높은 수준의 움직임 유연성을 제공한다.
 

산업용 로봇 및 코봇

직교 시스템과 갠트리 시스템에 대한 추가적인 구성은 이 시스템을 다관절 협동 로봇(코봇)의 팔, 팔 끝 도구(EoAT), 또는 가장 바깥쪽 축에 장착된 이펙터와 결합하여 보다 정교한 시스템(종종 직교 좌표 로봇 또는 갠트리로봇이라고 함)을 형성한다.

이로써 사용자 지정 동작을 수행하거나, 접근 및 주변을 이동할 수 있는 7 자유도가 생겨, 응용 분야별 공장 자동화 요구 사항에 맞는 더높은 수준의 동작 유연성을 확보할 수 있다. Tolomatic의Your Motor Here 프로그램과 유사하게, 리니어 액추에이터에 타사 모터를 장착할 수 있는 유연성은 완전한 산업용 로봇 솔루션과의 통합을 용이하게 해 준다.

다축 애플리케이션
 

구성 및 설계에 따라 다축 시스템은 몇 온스에서 수천 파운드에 이르는 하중을 운반할 수 있고, 제어 가능한 느리거나 빠른 속도로 작동하며, 높은 위치 정확도를 유지하고, 긴 주기 동안 기능적 신뢰성을 제공할 수 있다.이러한 반복성, 다기능성, 단순성 덕분에 리니어 다축 시스템의 응용 분야가 널리 보급되고 성장하고 있다.

이처럼 다양한 응용 분야는 부하, 힘, 속도, 이동 거리, 스트로크 길이, 정확도, 듀티 사이클 등의 요인을 포함하여매우 다양한 요구 사항을 만들어 낸다.작고 가벼운 작업에는 신뢰할 수 있는 리니어 액추에이터 조합을 사용하여 성공적으로 설계할 수 있지만, 더 큰 설치 공간, 더 무거운 탑재 하중, 더 긴스트로크, 더 강력한 듀티 사이클 요구 사항을 가진 작업에는 갠트리 시스템의 지원 인프라가 필요하다.

사전 설계, 맞춤형, 또는 그 중간?
 

▲ (사진 왼쪽부터) 사전 엔지니어링 솔루션, 턴키 액추에이터 솔루션, 사전 엔지니어링 시스템 수정

사전 엔지니어링 솔루션(Pre-engineered solutions): 사전 엔지니어링 솔루션은 검증된 다축 시스템을 찾는 회사에 상당한 이점을 제공할 수 있다.

개발 시간과 비용을 절약하기 위해 사전 구성된 시스템을 먼저 평가해보는 것이 좋다. 많은 표준 플랫폼은 다양한 응용 분야에 적용할 수있도록 일반적으로 지정된 스트로크와 작업 범위, 부하 용량, 속도를 갖춘 2축및 3축 솔루션으로 제공된다. Tolomatic은 강력한 B3W 벨트 구동 액추에이터를 갖춘 스트로크별 사전 설계 시스템과 갠트리 디자인을 제공한다.

턴키 액추에이터 솔루션(Turnkey actuator solutions): 액추에이터 선택의 폭이 넓은 가운데, Tolomatic의 TRS 트윈 프로파일 레일 스테이지 액추에이터는 직교 좌표 시스템에 이상적인 견고한 기반을 제공하는 스트로크 구성 가능한 턴키 솔루션을 제공한다.

TRS 액추에이터는 추가 플레이트 없이 직각 및 캐리어 간 장착이 가능하며, ‘Your Motor Here’(모터용 유연한 장착 도구) 기능을 제공한다. 기계 가공된 밀폐형 견고한 디자인은높은 모멘트 하중을 처리하는 동시에 편향을 최소화하면서 이동 길이를 따라 안정적인 위치를 제공한다.

사전 엔지니어링 시스템 수정(Modifying a pre-engineered system): 요구 사항이 사전 엔지니어링 설계의 범위를 벗어난 경우, Tolomatic은 다양한 축에 대한 스트로크, 속도, 힘 또는 무게 요구 사항을 포함하여 필요에 따라 솔루 션을 빠르고 저렴하게 수정할 수 있는 기능을 제공한다. 검증된 사전 엔지니어링 설계 플랫폼으로 시작하여 고유한 사양과 요구 사항에 맞게 설계를 발전시킬수 있다.

▲ 이 초음파 용접 작업에서, 리니어 서보 액추에이터와 앱솔루트 인코더가 장착된 전동 갠트리가 공압식 갠트리를 대체하여 더 높은 정확도를 실현했다.

▲ 기존 기계에 개조된 이 벨트 구동식 다축 솔루션을 사용하면 250파운드 무게의 트레이를 단 2초 만에 한 컨베이어에서 다른 컨베이어로 정확하게 이동할 수 있다.

다축 액추에이터의 활용 사례

의료 산업, 초음파 용접: 한 의료 회사는 기존의 공압식 갠트리 시스템의 대안으로 수동으로 조정해야 하는 시스템을 찾고 있었다. 위치 제어 기능이 부족하여 용접 및 치수 정확도가 떨어 지고, 생산 시간이 지연되고, 불량률이 높아졌다. 고객의 요구에 따라, 피드 테이블에서 장거리로 초음파 헤드를 운반할 수 있고 일관된 성능을 제공하는 효율적인 전기 모션 제어 솔루션으로 즉시 변경해야 했다. 

표준 스트로크 구성 가능한 B3W 리니어 벨트 구동 액추에이터가 X축과 Y축에 선택됐다. 이 액추에이터는 스트로크 길이가 길고 인피드 및 아웃 피드 테이블 모두에 대한 하중 전달 능력이 높기 때문이다. 정확성과 반복 성이 고객들의 관심사였기 때문에, 5축 모두에 절대 인코더가 장착된 서보 모터가 선택됐다. z축에는 IMA33 리니어 서보 액추에이터가 선택됐 다. 이 액추에이터는 모터/드라이브 시스템에서 힘 피드백 기능을 제공하는 통합 서보 모터 설계로 용접 공정 전반에 걸쳐일관된 속도와 위치 결정을 보장한다.

식품 산업, 픽 앤 플레이스 갠트리: 시나몬 롤을 생산하는 식품 공장에서 기존에 사용하던 2축 픽 앤 플레이스 기계에 문제가 발생했다. 빠르고 직접적인 교체가 필요했기 때문에 수정된 갠트리 솔루션이 적합했다. 갠트리는하나의 컨베이어 벨트에서 시나몬 롤을 집어내어 평행 컨베이어 벨트로 옮기는 데 사용됐다.

고객은 기존 기계에 새로운 갠트리 시스템을 설치하여 다시 가동할 수 있도록 요청했다. A B3W 리니어 벨트 구동 액추에이터가두 컨베이어의 스팬을 가로질러 작동하고, GSA 리니어 슬라이드 액추에이터가 하중을 위아래로 움직인 다. 엔드 오브 툴링이 무게가 250파운드에 달하는 시나몬 롤 트레이를 잡고 2초 이내에 한 컨베이어에서 다른 컨베이어로 이동시킨다. 이 고부하 사이클 시스템은 4주 이내에 제작됐다.

고속 드릴과 라우터로 가공하기: 창문과 문틀 압출 제조업체는 제품을 정밀하게 가공할 수 있는 정확하고 견고한 3축 시스템을 찾고 있었다. 전통적으로 이 제조업체는 자동화 공정에서 제어와 안정성에 문제가 있었다. 기성품 액추에이터는 부품 가공에 필요한 정확한 변형이 너무 많았고, 주변 환경의 금속 부스러기로 인해 적절한 수명을 달성할 수 없었다. 

Tolomatic은 트윈 프로파일 레일 스테이지(TRS) 로드리스 액추에이터를 사용하여맞춤형 액추에이터 솔루션을 개발 했다. 알루미늄 단일체 액추에이터의 높은 강성은 변형을 방지하여 완벽하고 반복 가능한 가공 작업을 보장한다. 또한, 액추에이터의 평평한 캐리지 디자인과 밀폐된 구성 요소는 금속 부스러기가 액추에이터 내부로 들어가는 것을 방지했다. XYZ 직교 좌표 구성의 새로운 TRS 솔루션은 훨씬더 빠른 처리량을 제공했고, 기성 솔루션의 수많은 문제를 제거했다. 이처럼 처리량과 가공 정확도가 향상되면서 회사는 공정을 최적화하고 새로운 시장에 진출할 수 있었다.

자료제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)