정확하고 부드러운 다축 모션 궤도 생성을 위한 IMP 라이브러리 사용 방법

ETEL

개요

여러 레이저 기반 프로세스, 디스펜스 시스템, 자동화된 검사와 자동화 시스템과 같은 다양한 애플리케이션에서, ETEL의 보간 모션 계획(IMP, Interpolated Motion Planning) 라이브러리가 어떻게 복잡하지만 정밀하고 부드럽게 동기화된 다축 모션 궤도를 만드는지 설명한다. 강력한 지오메트리 피팅(Geometry Fitting)과 자동 전환(Automatic Transition) 기능 사용법도 자세하게 설명한다.

소개

오늘날의 궤도 생성 애플리케이션은 고정밀 지오메트리 모션이 필요하다. ETEL의 IMP 라이브러리는 고정밀 지오메트리 피팅과 모션 세그먼트 간의 원활한 전환(transition)이 필요한, 동기화된 다축 보간 모션 계획을 구현한다.

  IMP 라이브러리의 주요 목표는 다음과 같다.
  • 선과 곡선, 기타 지오메트리 객체의 집합을 실제 동작의 이론적인 기준 궤적으로 구성한다.
  • 분리된 지오메트리 객체를 자동 전환으로 매끄럽게 연결한다.
  • 요구된 기준 기구학적 한계를 준수한다.

궤도 정밀도와 부드러움이 최종 제품에 미치는 영향

사양이 점점 더 복잡해지고 만들기 어려워지면서 정밀도는 최종재의 품질에 결정적 요인이 되었다. 반복적인 프로세스에서 기준 궤도 정밀도는 제품 품질을 최고로 유지하는 핵심이다. 그러나 실제 모션 시스템 성능은 생성된 기준 궤적의 품질으로 제한된다. 실제 시스템에 대한 정확한 이론적 경로가 없으면 최종재 품질이 좋을 수가 없다.

반면, 궤적은 실제 모션 시스템에 실현할 수 있어야 한다. 기준 궤적이 너무 거칠거나 불연속적이라면 실제 시스템은 주어진 궤적을 따라잡지 못한다. 최악의 경우, 시스템 자체에서 유발된 교란으로 궤적을 완료하지 못한다.

또한 목표 궤적이 일정하지 않은 기구학적 조건의, 더 복잡하고 다중 세그먼트인 경우는 궤도가 실행 가능한지 알기가 더 어려워진다. 새로 수정할 때마다 미세하게 최적화된 궤적을 직접 작성한다면 상당한 시간이 소요될 것이다.

앞서 언급한 기술적 문제를 해결하기 위해 IMP 솔루션은 다음을 제공한다.

• 여러 축으로 보간된 모션을 계획하는 쉽고 직관적인 방법
• 고정밀 궤도 생성
• 다양하고 유연한 피팅 모양
• 정의된 위치 사이를 자동으로 부드럽게 전환
• 다른 기구학적 구속 조건(속도, 가속도, 저크 등) 존중
• 궤도 실행 관리
• 궤도 중의 이벤트 관리

IMP 구현을 위한 다축 모션 궤도 계획

IMP를 사용하면 프로젝트 요구 사항에 따라 전체 궤도를 계획할 수 있다. IMP 애플리케이션의 궤도는 모션 세그먼트와 포지션 트리거, 타임 스탬프 마커(timestamp markers)의 모음이다. 일단 모든 모션 세그먼트가 궤도에 추가되면, 궤도가 컴파일되어야 한다. 이 작업은 처음에 설정한 기구학적 경계를 보장한다.
과정 중에 궤도 운동이 필요하면, 궤도는 그림 1에 표시된 것처럼 두 가지 다른 개념으로 분류한다.

  • 모양: 선과 호와 같은 지오메트리 피팅으로 복잡한 모양을 구현한다. 보다 복잡한 모양은 베지어나 다항식(Bezier or polynomial equations)을 사용한 파라메트릭 곡선을 바탕으로 한다.
  • 전환: 모션 계획에서 모든 불연속적인 처리는 전환으로 간주된다. 전환하는 동안 대상 전환점에 도달할 때까지 아무 작업도 수행되지 않는다. 예를 들어, 여러 개의 모양이 있는 궤도는 모양 간의 전환 경로가 필요하다. 각 전환은 작업 공간에서 가장 최적의 경로를 찾아야 한다.

형상과 전환 모두는 IMP 궤도 필수 부분인 모션 세그먼트로 바뀐다. 모션 세그먼트를 생성하려면 GF(Geometry Fitting)나 AT(Automatic Transition)의 두 가지 요소가 필요하다.(그림 2 참조)
간단한 선 모양은 전환 모션으로 사용되며, 이는 가장 짧은 지오메트리 피팅 경로이다. 그러나 중요한 트래킹 오류나 전환점에서 속도가 줄어든다. 반대로, IMP Automatic Transition 세그먼트는 형상 모션 세그먼트를 최대 속도로 진입/이탈시키고 최적의 전환 형상을 자동으로 결정한다. 즉, 자동 전환을 사용하면 모양에서 모양으로 전환할 수 있다.

2D 위치 트리거와 타임 스탬프 마커는 IMP 궤도의 선택적 요소로서, 필요할 때마다 추가할 수 있다. 예를 들어, 카메라나 인쇄 노즐, 레이저 건(laser gun) 같은 장비는 위치 트리거 이벤트와 동기화된다.

지오메트리 피팅 vs 궤도가 매끄러운 경로 비교

모션 세그먼트의 전환은 지오메트리 피팅이나 매끄러운 경로를 사용하여 수행한다. 전환점에서 기구학적 벡터 방향과 크기 변화로부터 오는 가속으로 실제 시스템에 대한 최대 충격이 발생하기도 한다. 이것은 그림 3에서 볼 수 있다.

전환 속도가 제로이면 툴 포인트(tool point)는 전환점에서 감속으로 진동할 위험이 있다.
IMP를 이용한 모션 계획의 경우, 이론적인 궤도 레벨에서 최적(ideal)에 비해 계산된 경로의 정확성이 보장된다. 지오메트리 모션의 각 코너는 지정된 궤도 허용 오차에 맞게 반올림되므로 그림 4처럼 이론적인 모션 경로를 0이 아닌 속도로 매끄럽게 실현할 수 있다.

어떤 종류의 조합을 지정했든 IMP 궤도는 계산된 이동 경로의 오차가 궤도 경계 한계 아래에 있도록 한다. 실제로 필요할 때만 GF 세그먼트로 전체 IMP 궤도를 계획한다. 그러나 AT 세그먼트는 모션 처리 중 전환에 사용될 때 성능이 가장 좋다. 예를 들어, AT 세그먼트는 그림 5에서 GF 라인 전환 세그먼트를 대체하는 데 사용되며 원 모양 모션 입/출력 시 위치 진동이 효과적으로 감소한다.

전환 모션 중에는 객체에 대한 도구 프로세스를 수행할 필요가 없다. IMP는 같다고 가정하고 다음 모양에 따라 최적화된 전환을 자동으로 계산한다.
모션 기구학적 요구 사항(속도와 가속도, 저크)이 증가함에 따라 예상되는 추적 오류가 심해진다. 일부 저속/가속 시 일반적인 선 전환이 일어나지만, 실제 작동 시스템에 모터나 기계적 용량 제한을 일으킬 위험이 있다.

따라서 다음과 같은 결과가 발생할 수 있다.

  • 궤도 전환 시 모터의 과전류와 같은 시스템 오류.
  • 제품의 품질이 좋지 않음: 다음 모양 궤도를 입력할 때 격렬한 전환 경로의 잔류 진동으로 발생한다.

그림 6a와 6b, 6c는 2차원 작업 공간에서 논스톱 형상 모션의 툴 포인트(이론적 위치 대 유효 툴 포인트 위치)에서 서로 다른 추적 오차의 강도를 보여준다. 이 그림에서 Shape1과 Shape2의 접선 속도(tangential speed, 궤도를 따르는 속도)는 일정한 것으로 가정한다. 그림 6a는 형상과 전환 모두가 논스톱 라인 세그먼트로 이루어짐을 도시한다. 예상되는 추적 오차 정도는 형상 운동의 입구/출구에서 빨간색 원으로 표시된다.

각 빨간색 원의 크기는 모션 벡터 방향의 변화에 ​​비례한다. 즉,원의 크기는 형상 궤도에 출입할 때 예상되는 위치 추적 오차의 강도를 의미한다.
그림 6b에서, 전환 세그먼트는 IMP GF 라인 세그먼트로 대체된다. 이를 통해 IMP 사용자는 지오메트리 피팅 오차 허용치(녹색 터널)를 설정하고 전체 궤도를 실행하기 전에 예상되는 추적 오류 수준을 검토한다. 오차 허용치 또한 모션 중에 IMP가 최대 기준 속도에 도달하도록 도와준다. 그러나 모양 입력/종료 오류 수준은 연결된 전환 세그먼트 경로의 영향을 받는다. 최악의 경우, 궤도 컴파일은 오차 허용치를 초과하여 실패한다.

그림 6c는 GF 라인 대신에 AT 세그먼트로 형상 세그먼트를 상호 연결함으로써 최상의 궤도 계획 예를 도시한다. AT는 도형 사이의 천이 경로와 운동 학적 프로파일을 자동으로 조정한다. 따라서 도형 이동 입력/종료 시 추적 오류가 크게 줄어든다. AT가 전체 궤도가 실행되기 전에 도형 출구와 진입 운동을 최적화하므로 예상되는 추적 오차는 최소이다. 전환 중에 일정한 속도가 필요하지 않으므로 AT 세그먼트는 최상의 결과를 위해 IMP에 의해 자동으로 최적화된다.

컴파일된 IMP 궤도의 컴파일과 평가

IMP 궤도의 편집은 궤도가 정확하고 타당하게 설계된 경우에만 성공한다. 또한 성공적으로 컴파일된 궤도의 품질은 IMP 라이브러리에 포함된 다양한 필수 평가 기능으로 측정된다.
지오메트리와 거리, 운동학 값에 따라 궤적이 항상 형성되지는 않는다. 궤도 편집이 실패할 때 더 합리적인 모션 계획으로 수정하여 다시 시도할 것을 권장한다.
전적으로 선택 사항이지만, IMP 평가 기능을 사용하면 실제 궤도시스템을 연결하지 않고 전체 궤도를 평가할 수 있다. 따라서 궤도의 수용 가능성을 결정하는 데 드는 시간과 노력을 절약한다.
마지막으로 컴파일된 궤도는 필요할 때마다 저장할 수 있어 매번 다시 컴파일하지 않고 가장 잘 알려진 궤도를 로딩하고 실행할 수 있다.

다축 모션 궤도

3D 다중 원 궤도의 예

보간된 모션 계획 기법을 적용하여 고품질의 이론적인 3D 궤도를 실행한다. 우선 목표 이동 과정의 기본 개념을 개발해야 한다. 이전 장에서 언급했듯이 모션 프로세스는 모양과 전환, 선택적으로 이벤트로 구성된다. 그림 7은 변환된 모션 모양과 전환 세그먼트를 IMP 궤도에 순서대로 추가하는 과정을 보여준다.

그림 8은 3D(XYZ) 좌표에서 반복되는 원형 계획을 나타낸다. 검은색 경로는 이론적인 경로 계획이며 파란색 경로는 검은색 경로를 따르려고 하는 실제 동작 경로이다. 일반적으로, 매끄러운 전환은 툴 포인트 추적 오류와 대비해 얼마나 이론적인지 나타낸다.

검은색 경로는 매끄러운 궤도가 아니다. 파란색 경로를 자세히 살펴보면 그 결과가 명확해진다. 그림 9는 궤도 전환이 원형으로 들어가거나 빠져나가는 위치를 나타내고, XYZ 트랙킹 오차는 원형 툴 포인트 궤도 정확성에 영향을 미치고 있다.

IMP를 사용하면 모양 경로 중에 궤도 정확성이 향상되어 제품 품질도 크게 향상된다. 이전의 궤도는 그림 10과 같이 자동 궤도(AT)를 통해 IMP 궤도로 재구성된다. 궤도의 전체 선 전환은 자동 전환 세그먼트로 대체된다.

원형에 진입/이탈하는 궤도 전환을 확대하면 IMP 솔루션으로 툴 포인트 궤도 정확성이 향상되었음을 알 수 있다. 그림 11에서 볼 수 있듯이, 원형으로 출입하는 전이 경로는 라인 전환을 이용한 궤도 만큼의 툴 포인트 추적 오차가 없다.
형상이 전환할 때 발생한 진동의 영향을 받지 않으면, 공정의 질과 신뢰성이 향상된다. 이것은 XYZ 툴 포인트 측정의 이점이다.

실적 비교(G-코드 vs IMP)

이 예제에서는 4개의 원통형 패턴이 있는 XYZ 궤도를 사용했다.
• 형상 직경: 9mm
• 도형 두께: 0.1mm

  G-코드와 IMP(GF+AT 세그먼트) 모두 비교를 위해 궤도를 실행한다. TCP(tool center point)에서의 XY 축의 위치 추적 오차는 다음과 같이 측정된다. (*)
  • X(그림 12): G-코드: ±125㎛ -> IMP: ±30㎛, IMP 개선율: +76%
  • Y (그림 13): G-코드: ±200㎛ -> IMP: ±35㎛, IMP 개선율: +82.5%
  (*)툴 포인트 측정은 하이덴하인 그리드 엔코더 (HEIDENHAIN grid encoders)로 한다

석정반 변위도 석정반 XY 포지션 센서로 동시에 측정되며 IMP 궤도 실행을 통한 기계 진동 수준이 G-코드보다 3배 더 낮음을 보여준다.
처리량 성능에 초점을 맞추면 다른 비교도 할 수 있다. 최대 운동학적 한계가 두 배가 되면 IMP 궤도는 G-코드와 비교해 모양 패턴 실행 시간을 크게 줄이며 거의 같은 수준의 추적 오차를 유지한다.

  • 패턴 실행 시간: G-코드 5.75초, IMP 2.94초, IMP 개선율 +48.8%
  • X 축의 변위와 트래킹 오류 비교는 각각 그림 14와 그림 15에 표시된다.

분석

표 1은 지오메트리 피팅 궤도와 자동 궤적을 갖는 IMP 궤도 사이의 일반적인 비교 결과를 보여준다.
이 비교 결과를 분석하면 잠재적인 모든 IMP 사용자에게 흥미로운 점이 생긴다. IMP 라이브러리를 사용하면 지오메트리 피팅 전용 궤도에서 IMP 궤도로 전환하여 생산성을 높일 수 있다. IMP 솔루션이 높은 운동량으로 빠른 모션을 실행할 수 있기 때문이다. 단, 궤도의 전체 트래킹 오류는 용인된다.

즉, 궤도 오차 허용 범위가 지오메트리 피팅 궤도만으로 이미 충족되었으므로, IMP의 모션 기구는 증가한다. 따라서 이전처럼 추적 오차의 허용 오차를 충족한다. 또한 품질에 대한 모션 조건을 만족시켜 더 빠르게 결과를 낸다.

또한 IMP 궤도 컴파일러로 사용하여 프로세스의 개선을 자유롭게 시뮬레이션할 수 있다. 특히 이전 장의 3D 궤도 계획 예제처럼 복잡한 현재 궤도로 결과를 예측하기가 어려울 때 유용하다.

IMP를 이용한 다축 모션 궤도 구현

PC 애플리케이션 요구 사항
ETEL 장치 인터페이스(EDI)와 보간 모션 계획(IMP) 라이브러리를 갖춘 C++ 사용자 애플리케이션은 실행 준비가 완료된 완전한 궤도를 생성한다.

  • EDI: ETEL 장치 인터페이스(EDI)는 ETEL이나 다축 모션 컨트롤러와의 통신과 해당 기능에 액세스할 수 있는 라이브러리 세트이다.
  • IMP: IMP(Interpolated Motion Planning)는 EDI middleware 이상의 PC 환경에서 작동하는 Windows 기반 라이브러리로, 애플리케이션과 펌웨어 단계를 연결한다.

  또한 IMP는 UltimET와 AccurET 장치에 구현된 보간 기능으로 ETEL 제품에 최적화된 궤도를 생성하고 실행하는 라이브러리이다.
  • UltimET light PCI/PCIe, interpolated: 동기화되고 보간된 움직임을 갖는 ETEL의 모션 컨트롤러
  • AccurET Modular/VHP: ETEL의 2축 구동을 지원하는 포지션 제어기

이러한 컨트롤러는 컴파일된 IMP 궤도를 실행하는 데 필요하다. IMP 라이브러리 아키텍처의 개요는 그림 16과 같다.

PC 애플리케이션 설계

IMP는 1축에서 4축까지 다축 동기화된 보간 모션을 계획하여 2D나 3D 모션 궤적 애플리케이션을 구현한다. IMP 궤도는 IMP 기능을 사용하여 EDI 애플리케이션으로 쉽게 구성된다.

  IMP를 구현하기 위한 일반적인 단계는 다음과 같다.
  1. 새로운 IMP 궤도 생성 (이 시점에서 궤도는 비어 있음)
  2. 궤도 경계를 정의
  3. 2D 트리거 제약 조건 정의
  4. 궤도의 첫 번째 포인트 설정
  5. 모든 IMP 세그먼트를 추가
  6. 궤도 컴파일
  7. 컴파일된 궤도 검토 (선택 사항)
  8. 컴파일된 궤도 저장 (선택 사항)
  9. ETEL의 하드웨어를 준비하고 궤도를 실행

일단 컴파일된 궤도가 확인되면 그것은 차후의 실행을 위해 재사용된다. 가장 잘 알려진 궤도 경로는 필요한 만큼 반복된다. IMP 궤도는 어떤 이유로든 수정되어야 하는 경우가 아니면 다시 컴파일할 필요가 없다.

결론

기존의 G-코드 접근 방식과 비교하여 IMP 애플리케이션은 전체 궤도에 매끄러운 경로를 만들어 모션 정밀도와 프로세스 성능을 향상시킨다.
궤도에 여러 모양과 전환이 포함된 경우, IMP 자동 전환은 품질을 향상시키는 주요 기능이다. IMP 애플리케이션은 다축 궤도 계산이 중요한 애플리케이션에 광범위하게 사용된다. 또한 IMP 궤도 컴파일러로 현재 프로세스에서 가능한 개선을 자유롭게 시뮬레이션하고 쉽게 평가한다. 이것은 기존 궤도가 복잡하여 결과를 예측하기가 어려울 때 실질적인 도움이 된다.

자료 제공: ETEL(https://www.etel.ch/)