차세대 절삭 가공기의 모션 시스템 최적화를 위한 5가지 고려 사항

Kollmorgen

플라즈마, 레이저 및 워터젯 절단기 시장의 한 가지 공통점은 고객들이 차세대 절삭기의 새로운 성능을 찾고 있다는 것이다. 제조업체는 절삭기를 구매할 때, 보다 빠르고 안정적으로 생산할 수 있는 새롭고 개선된 기능에 집중한다.

기계 제조업체로서 성공은 최고의 성능, 최고의 설계 그리고 최고의 통합에 달려 있으며 이는 모션 시스템의 최적화에 의해 좌우된다.
이를 위한 5가지 주요 고려사항은 필드버스 아키텍처(fieldbus architecture), 제어 루프 대역폭, 서보 모터 설계, 피드백 선택, 케이블 링이다.

1. 올바른 필드버스 아키텍처 선택

과거에는 여러 가지 다른 버스 유형이 사용되었지만, 현대의 시스템은 사용의 용이성과 최대 성능을 위해 거의 보편적으로 이더넷을 사용한다. 그러나 이더넷 제품군 내에서도 성능은 상대적이다. 잘못된 아키텍처를 선택하면 실행 속도가 현저히 감소하여 절단 품질과 정밀도가 저하될 수 있다.

Hypertherm과 같은 산업 표준 컨트롤러를 사용하거나 또는 맞춤형 컨트롤러를 사용하거나 절단을 정의하는 위치지점은 컨트롤러에서 드라이브로 스트리밍 된다. 각 x/y 포인트 사이의 시간 간격은 엄격하고 편차가 없다. 또한 정밀 절단과 같은 매우 동적인 응용 분야의 경우 이러한 시간 간격이 매우 짧다. 보통 500 마이크로 초에서 1 밀리 초 사이다. 이보다 긴 시간 간격은 덜 정확한 절단을 의미하고, 다양한 시간 간격은 왜곡된 절단을 의미한다.

이더넷 커넥터는 똑같아 보이지만 다른 버전의 이더넷 비전마다 작동하지 않으므로 작업에 적합한 버전을 선택하는 것이 중요하다. 모든 드라이브의 필드버스 포트는 산업용 버전을 지원해야한다. 모든 산업용 이더넷 프로토콜이 필드버스의 모든 장치에서 실시간으로 결정론적 데이터를 전송하는 것은 아니다. Kollmorgen은 빠른 실시간 성능과 CANopen, FailSafe over EtherCAT(FSoE) 및 기타 특성을 지원하는 EtherCAT를 권장한다.

2. 대역폭의 최적화

높은 대역폭은 높은 속도와 관련이 있다. 제어 루프 대역폭이 증가함에 따라 시스템은 보다 모터 동작, 오류 감소 및 응답시간 개선을 달성한다. 그 결과 위치, 속도 및 토크에 대한 반응적 제어가 가능하다. 일반적인 절단 작업에서 이러한 요소는 중요하지 않을 수 있다. 그러나 차세대 절단기의 경우 제어 루프 대역폭은 성능에 필수적이다.

고 대역폭은 고성능을 가능하게 하고 고성능 모션을 실현한다. 드라이브와 모터가 제어 루프의 급격한 변화를 수용할 수 없는 경우 고주파수가 불안정한 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 높은 관성을 가진 모터는 필요한 가속을 달성하지 못할 수 있으며 이것은 제어 루프로 피드백 된다.

또 다른 문제는 대역폭 이다. 다축 애플리케이션에서는 각 축에서 필요한 이동을 수행할 수 있는 충분한 대역폭이 필요하다. 그러나 대역폭이 서로 다른 축 간격이 정확히 일치하지 않으면 축이 제어 루프 피드백에 서로 다른 속도로 응답하므로 컷의 모양이 왜곡된다.

갠트리를 통합하는 애플리케이션은 동작을 보장하기 위해 평행한 두 측면의 축 간에 교차 결합이 필요하다. 드라이브는 축 전체에서 대역폭을 일치시키기 위한 간단하면서 매우 정확한 기능을 제공해야 한다.

서보 모터를 결정할 때 시스템에 장애를 일으키지 않고 고 대역폭, 고성능 애플리케이션에 필요한 가속 및 토크 응답을 제공하는 저관성 설계를 고려해야 한다. Kollmorgen의 2G 모션시스템은 이를 달성하는 동시에 갠트리 측면 간의 교차 결합을 단순화하는 갠트리 모드 알고리즘을 제공한다.

3. 알맞은 모터의 선정 및 싸이징

또 다른 실수는 전압 또는 전류 포화의 위험을 고려하지 않고 모터의 크기를 줄이거나 잘못된 설계를 하는 것이다. 간단히 말해, 모터의 토크 상수는 버스 전압이 허용하는 것보다 높을 수 없다. 드라이브가 필요한 전압이나 전류를 공급할 수 없으면 모터가 필요한 동작을 수행하지 못한다.

해결책은 모터 프로세스 맞게 전기 계산을 미리 통합하는 것이다. 사용 가능한 전류 및 전압을 정확하게 이해하면 필요한 모터 설계와 크기를 계산할 수 있다. 때로는 더욱 큰 모터로 이동해야 할 수도 있다.

또는 전압 및 전류 요구 사항의 새로운 균형을 제공하는 다른 권선이 있는 동일한 모터를 고려할 수 있다. 미리 계산을 통합하면 모터 크기를 늘리지 않고도 필요한 성능을 얻거나 크기를 줄일 수 있는 가능성이 높다. 전압 및 전류 포화 문제를 없애고 전기 공급의 현실에서 최적의 성능을 보장하기 위해 모션 엔지니어링 및 제품을 선정하는 파트너를 찾아야한다.

4. 애플리케이션 요구에 일치하는 피드백 장치

피드백 장치는 모터 또는 부하가 필요한 속도와 위치에 도달하도록 드라이브 또는 컨트롤러에 정보를 제공한다. 피드백 장치는 비용, 속도 및 정확성에 상당한 영향을 미친다. 인크리멘탈 인코더는 움직임과 방향을 나타내는 두 개의 출력 신호를 제공한다.

이러한 신호는 상대 위치만 추적할 수 있으므로 절대 위치를 계산하기 위해 디지털 인터페이스를 사용해야한다. 정전 또는 애플리케이션 장애가 발생한 경우 인코더가 절대 위치를 추적하지 않으므로 다시 시작하기 전에 축을 홈 위치로 되돌려야 한다. 일부 애플리케이션에서는 이러한 상황이 안전의 문제가 될 수 있다. 인크리멘탈 인코더는 전기 노이즈 간섭에 다소 민감하며 문제를 개선하기 위해 입력 필터 및 기타 조치가 필요할 수 있다.

앱솔루트 인코더는 증분형 인코더보다 비용이 많이들지만 뚜렷한 장점이 있다. 모터 샤프트 각도를 나타내는 디지털 코드를 생성하기 때문에 앱솔루트 인코더는 추가 처리없이 정확한 위치 및 속도 정보를 제공한다. 전원이 중단되면 앱솔루트 인코더는 다시 모션이 시작될 때 홈 위치로 돌아갈 필요없이 즉각 위치를 알려준다. 이 인코더는 매우 높은 분해능을 제공하고 우수한 노이즈 내성을 제공하며 단일 케이블 옵션으로 제공된다.

리졸버는 또 다른 옵션이다. 이 아날로그 장치는 전기 변압기를 중심으로 설계되었으며, 회전자와 고정자 권선 간의 전압 비교를 사용하여 모터 샤프트 회전 전체에 걸쳐 절대 위치를 제공한다. 리졸버는 거친 환경에서 사용하도록 만들어진 견고한 장치이지만 일반적인 리졸버는 고정밀 절단 분야에 필요한 해상도를 제공하진 않는다.

Kollmorgen SFD 피드백은 견고한 리졸버 아키텍처와 추가 전자 장치를 결합하여 고정밀 장치를 만들고 플러그 앤 플레이 설정을 제공하며 단일 케이블 옵션의 이점을 제공한다. 피드백 장치는 기계 성능에 가장 적합한 기술을 선택하는 것이 중요하다. 특히, 저렴한 피드백 장치에는 모션 튜닝의 숨겨진 비용이 있다.

5. 신뢰성 및 성능을 고려한 케이블 선정

케이블 선택의 중요성을 간과해선 안 된다. 케이블의 전선 게이지 크기가 작으면 효율성과 신뢰성에 문제가 발생한다. 케이블이 제대로 접지 및 차폐되지 않은 경우 전기 노이즈로 인해 피드백 및 전체 시스템 성능에 오류가 발생할 수 있다. 절연체 및 커넥터가 표준 이하인 경우 장기 사용시 오류가 발생할 가능성이 있다.

케이블의 수, 크기, 무게, 유연성 및 레이아웃도 시스템의 차이를 만들 수 있다. 특히 갠트리 시스템에서 케이블은 부하의 일부이므로 서보 시스템이 보상해야 하는 항력, 무게 및 컴플라이언스 문제를 유발한다. 단일 케이블 설계는 케이블 2개 시스템보다 케이블과 커넥터 모두에서 라우팅이 쉽고 가볍기 때문에 유용할 수 있다.

큰 모터로 구동되는 갠트리는 굵고 뻣뻣한 단일 케이블 대신 두 케이블의 유연성이 더욱 큰 이점을 가져다 줄 수 있다. 케이블은 시스템 품질을 손상시키지 않으면서 올바른 균형에 맞게 선택해야 한다.

자료 제공: Kollmorgen(www.Kollmorgen.com)