직교 로봇 시스템 & 다관절 로봇의 기술적 비교

Festo

직교 로봇 시스템을 사용하는 것이 왜 가치가 있을까?

로봇 분야에서 어셈블리와 핸들링 솔루션은 에너지 효율적이고 비용이 최적화된 시스템으로 변하는 추세다. 기존의 로봇 해결책은 규모가 너무 크며 실제 필요한 것보다 더 많은 기능과 자유도를 제공하고 있기 때문이다.
전기와 공압 구성 요소의 혼합 기술에 관계없이, 에너지 효율적이며 비용 최적화된 2D와 3D 시스템은 리니어와 회전 애플리케이션에 보다 쉽고 효율적으로 적용된다.

직교 로봇 시스템의 개요

DIN 표준은 직교 로봇 시스템을 산업용 로봇으로 분류한다. 다관절 로봇과 동일한 분류이다.
산업용 로봇은 3개 이상의 축으로 프로그래밍되며, 자동으로 제어되고 다시 프로그래밍할 수 있는 다목적 머니퓰레이터이다. 또한 자동화 애플리케이션에 사용하기 위해 고정되거나 움직일 수 있다.

이러한 시스템의 세분화는 기능과 유연성, 시스템의 동적 응답에 따라 다르다.

직교 로봇 시스템과 다관절 로봇은 유연성과 동적 응답 측면에서 많이 중첩되지만 기계 시스템에서는 다르다.
애플리케이션에 따라, 직교 로봇 시스템은 포인트 투 포인트(point-to-point) 이동을 위해 간단한 PLC나 경로 이동과 같은 로봇 기능이 있는 복잡한 시스템으로 제어된다. 다관절 로봇은 복잡한 로봇 제어 시스템이 필요하다.

직교 로봇 시스템은 간단한 제어로 구동이 가능하며 주문 제작과 애플리케이션 상태에 쉽게 모듈화된다. 작업 공간은 축 길이를 변경하여 쉽게 조절할 수 있다.
따라서 주변부의 애플리케이션이 로봇의 기구 운동(machine exercise) 시스템에 적합하게 조정되는 다관절 로봇과 기구학은 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 구성된다.
그러므로 직교 로봇의 기구 시스템은 전체 해결책의 일부이며 전체에 통합되어야 한다.

맞춤형이며 모듈식이고 경제적이다

다관절 로봇을 사용하는 표준화된 매뉴얼의 해결책과는 달리 직교 로봇 시스템은 애플리케이션에 맞게 모듈식으로 사용자 정의할 수 있다(그림 4 참조).
이러한 시스템은 다관절 로봇에서 요구하는 흔한 절충안이 거의 필요없다. 다관절 로봇의 경우 애플리케이션의 일부를 로봇의 요구 사항과 기능에 맞게 조정해야 한다. 따라서 표준화와 대량 생산된 구성 요소의 사용으로 직교 로봇의 맞춤 해결책은 훨씬 경제적이며 매력적이다.

전기, 공압, 콤비네이션

직교 로봇 시스템은 다양한 구동 기술을 결합시킨다. 효율성, 역동적인 응답과 기능 면에서 최적의 동작을 달성하기 위해 애플리케이션에 적합한 공압식과 전기식 드라이브가 축 별로 선택된다.
직렬 기구의 직교 로봇 시스템은 직선 운동과 보조 축(예: 회전)을 위한 주축을 갖는다. 시스템은 가이드와 지원, 드라이브 역할을 동시에 수행하며 핸들링 시스템 구조와 상관없이 애플리케이션의 전체 시스템에 통합되어야 한다.

직교 로봇 시스템의 기구 구조

다음은 표준 설치 위치에서의 직교 로봇 시스템에 대한 설명이다. 사실, 모든 시스템은 원하는 공간에 설치할 수 있으며 이를 통해 기계 시스템을 애플리케이션에 이상적으로 적용시킨다.

2D 로봇 시스템

이 직교 로봇 시스템은 캔틸레버와 리니어 갠트리의 범주로 구분된다. 수직 궤적과 수평면에서의 이동, 평면 갠트리가 해당된다.
2D 캔틸레버는 수평 축(Y)과 그 위에 설치된 수직 드라이브(Z)로 구성된다.

리니어 갠트리는 좌우 양끝에 고정된 수평 축(Y)이다. 수직 축(Z)은 축의 두 끝점 사이에서 슬라이드에 장착된다. 리니어 갠트리는 일반적으로 직사각형의 수직 작업 공간을 가진 날렵한 모양이다.
평면형 갠트리는 이동 방향에 수직 축(Y)으로 연결된 두 개의 평행 축(X)으로 구성된다. 평평한 표면 갠트리는 원형/신장(kidney) 모양 작업 공간이 있는 델타 기구나 SCARA보다 훨씬 큰 작업 공간을 처리할 수 있다.

리니어 축과 평평한 표면 갠트리는 기존의 개별 축 외에도 구동 구성 요소인 회전 톱니형 벨트를 가진 고정된 기계적 결합으로 완전한 시스템의 형태를 취한다. 낮은 효율의 부하는 동적 응답으로 대용량(picks/min)에 적합하다.

3D 로봇 시스템

이러한 직교 로봇 시스템은 캔틸레버 범주와 양면이 움직이는 3차원 갠트리 범주로 나뉜다.
3D 캔틸레버는 평행하게 장착된 두 개의 축(X)과 이동 방향에 수직인 외팔보 축(Y)이며, 수직 축(Z)은 정면에 장착되어 있다.
3차원 갠트리는 이동 방향에 축(Y)으로 연결된 두 개의 평행 축(X)으로 구성된다. 이 직각에는 수직 축(Z)이 장착된다.

참고: 평평한 표면, 리니어, 3차원 갠트리에는 수평 축의 두 지점 간 지지력이 가해진다. 캔틸레버의 수평축은 끝단에 걸린 하중이 레버 역할을 한다.

프로그래밍

필요한 프로그래밍의 정도는 기능에 달려 있다. 시스템이 개별 지점으로 이동할 때는 빠르고 간단한 PLC 프로그래밍만으로 충분하다. 이를테면 접착제 도포 공정과 같은 경로 이동을 해야 할 경우 PLC 제어로는 부족하다. 이럴 때 다관절 로봇 프로그래밍이나 직교 로봇 시스템에 필요하다.

직교 로봇 시스템의 제어 환경은 다관절 로봇보다 다양한 대안을 제시한다. 다관절 로봇은 제조업체의 특정 제어 시스템을 사용한다. 애플리케이션의 요구와 복잡성을 위한 최상의 기능을 갖춘 버전의 PLC는 직교 로봇 시스템에 사용할 수 있다.

이는 고객 사양을 준수하고 프로그래밍 언어와 프로그램 구조를 포함한 균일한 제어 플랫폼을 구현할 수 있음을 의미한다.
다관절 로봇은 복잡한 프로그래밍이 필요하다. 따라서 기계 작업에 다관절 로봇 시스템을 사용하려면 많은 작업이 필요하다. 예를 들어, 직선 이동에 6개의 축을 동시에 이동해야 한다. 또한 ‘오른팔에서 왼팔’을 프로그램하는 것은 어렵고 시간이 많이 걸린다. 이때 직교 로봇 시스템은 훌륭한 대체 해결책이 된다.

에너지 효율

시스템을 선택할 때 이미 에너지의 효율적인 처리를 위한 기초를 구성한다. 애플리케이션이 특정 위치에서 정지가 길어지면 기존 로봇의 모든 축은 폐루프 제어를 받으며 중량을 지속적으로 보정해야 한다.

직교 로봇 처리 시스템에서, 보통 수직 Z축에만 힘을 지속적으로 가해야 한다. 이 힘은 중력에 대항하여, 원하는 위치에서 유효 하중을 유지하는 데 필요하다. 공압 드라이브는 유지 단계에서 에너지를 소모하지 않으므로, 효율적으로 작업을 수행한다. 또 다른 공압 Z축의 장점은 자체 무게가 가벼워서 X축과 Y축의 기계 구성 요소와 전기 모터에 작은 크기를 사용할 수 있다는 것이다. 가벼운 유효 하중은 에너지 소비를 감소시킨다.

특히 경로가 길고 사이클 속도가 높은 경우, 전기 축의 전형적 강도는 앞으로 쏠린다. 따라서 공압 Z축은 X축과 Y축에 대한 아주 효율적인 대안이다.

시스템 선택

직교 로봇 시스템의 적용 사례

2D 캔틸레버

Pick & Place 시스템은 두 개의 요크 드라이브(yoke drives)로 구성된다.

· 기계적 강성과 견고한 디자인
· 공압과 전기 부품 결합
· 위치 확인을 위한 전기장치
· 효율적인 공간 활용
· 저중량과 에너지 효율을 위한 공압식
· 반복 정밀도

리니어 갠트리

90peaks/min 미만의 리니어 갠트리는 특히, 매우 동적인 Pick & Place 애플리케이션에 적합하다(예: 포장 산업).
· 2개의 고정 모터와 회전 톱니 벨트, 낮은 하중으로 평행 운동학적 원리
· 작고 날렵한 디자인
· 제한적 설치 공간에서도 수직면에서 자유로운 움직임을 통한 유연한 핸들링

평면 갠트리

이 평면 갠트리는 작업 공간 내의 모든 위치에 접근할 수 있다.
· 선택 사양 Z축의 수평 이동과 고정자리 배치를 위한 톱니 벨트 축 3개 내장
· 병렬 기구 운동 컨셉은 낮은 유효 하중을 보장.
· 155×110mm 크기의 소형 버전은 전자 산업에서나, 실험실에서 트레이/마이크로플레이트의 위치 결정하는 애플리케이션에서 주로 사용됨
· 대형 버전은 최대 크기의 태양열 웨이퍼를 처리하는 작업에 사용됨.

3D 캔틸레버

3D 캔틸레버는 하나의 기계 시스템에서 두 개의 가이드를 연결하는 부하 축을 가진다.
· 높은 토크와 힘을 흡수하는 알루미늄 프로파일로 인한 드라이브의 최대 강성과 부하 용량
· 재순환 볼 베어링 가이드와 2개의 평행 가이드가 있는 톱니 벨트나 스핀들 드라이브

3D 갠트리

무거운 하중을 위한 매우 작은 3차원 갠트리(예: 자동차 알루미늄 휠의 X-레이 검사). 알루미늄 주조물에 있는 작은 공기 포켓이나 이물질로 바퀴가 파손될 수 있으므로 정확한 위치에서 각 림을 확실하게 검사해야 한다.
· 추가 요구 사항: 좁은 공간에서도 높은 프로세스 속도를 내기 위해 동적 응답을 위한 신중한 설계
· 병렬로 연결된 6개의 축이 최대한의 동적 응답과 강성을 보장

자료 제공: Festo(www.festo.com)