케이블 설계 및 제조에 대한 Q&A
Helukabel(www.helukabel.us)은 독일에 본사를 둔 케이블, 전선 및 액세서리 제조 및 공급 업체이다. 맞춤형 케이블 솔루션과 함께 3만3000개 이상의 제품 포트폴리오를 통해 산업, 인프라 및 오피스 애플리케이션을 위한 최첨단 연결 시스템을 제공하고 있다.
전세계 29개국에 48개의 영업 및 생산 지사를 보유하고 있으며, 독일 Windsbach에 있는 생산 시설의 테스트 실험실에서는 초현대식 장비를 사용하여 케이블과 와이어에 적용되는 스트레스를 초과하는 스트레스를 시뮬레이션한다. 이러한 방식으로 고객의 높은 요구 사항을 지속적으로 충족할 뿐 아니라 40년 이상 동안 케이블, 전선 및 액세서리의 선도적인 공급업체로서 위상을 유지하고 있다.
Helukabel의 로봇 및 자동화 사업 부문 관리자인 Keith Wilkerson은 자사 홈페이지를 통해 케이블 제조업체가 끊임없이 변화하는 OEM 및 사용자의 요구 사항에 맞는 새로운 드래그 체인 및 비틀림 케이블 솔루션을 개발할 때 직면하는 몇 가지 주요 설계 매개변수와 과제에 대해 Q&A 형식을 통해 자세히 밝히고 논의했다.
Q: 드래그 체인과 비틀림 등급의 케이블은 어떻게 서로 다르게 설계되고 제조되는가?
각 케이블이 설치될 환경과 관련해서는 여러 면에서 매우 유사하다. 이러한 세부 사항을 논의하기 전에 대부분의 산업용 케이블에서 발견되는 가장 기본적인 재료인 구리 가닥에 대해 이야기해 보자.
기억해야 할 핵심 사항은 형태, 도체에 사용되는 개수 또는 함께 꼬인 방법에 관계없이 모든 구리 가닥에 메모리 되고 있다는 것이다. 예를 들어 철사 옷걸이를 생각해 보면, 특정 방향으로 구부린 다음 다시 원래 위치로 구부리려고 하면 이전과 정확히 일치하지 않는다. 이 현상은 다중 도체 산업용 케이블의 구리 가닥도 동일하다.
이는 고정식 또는 고정식 응용 제품에는 적합하지만, 2D(드래그 체인) 또는 3D(로봇) 애플리케이션에서 케이블이 수 백만 번 구부러질 때 케이블 제조업체는 가장 기본적인 문제에 부딪치게 된다. 결론은 각 가닥 및 도체의 메모리를 관리하는 것이 설계 작업에서 중요한 역할을 한다. 기계적 적용이 까다로울수록 케이블의 성능 특성도 커져야 한다.
이는 고정 케이블을 위한 다발 또는 단선 구조에서 짧은 꼬임 길이(2D)의 동심 또는 더 긴 꼬임 길이(3D)의 동심으로 진행하는 것을 의미한다. 성능 요구 사항이 증가함에 따라 케이블도 PVC에서 PP 절연체 및 PUR 또는 TPE 재킷 화합물로 바뀐다.
▲ 로봇에 사용되는 케이블과 와이어는 다양한 힘을 받는다. 수백만 번의 반복적인 굽힘과 비틀림 운동으로 인해 높은 압축 및 인장 하중이 발생하여 케이블에 상당한 부담이 가해진다. 케이블 설계도 높은 마모, 노치 및 인열 저항(tear resistance)을 유발시키는 급격한 가속 및 감속을 고려해야 한다.
Q: 드래그 체인 정격 케이블에 대한 케이블 설계 고려 사항은 무엇인가?
고려해야 할 많은 특성이 있다. 가속, 이동 속도, 이동 길이 같은 기계적 매개변수 뿐 아니라 주변 작동 온도, 기계가 실내 또는 실외에 있는지 여부, 드래그 체인과 접촉할 수 있는 화학 물질 또는 미립자를 포함하는 환경적 고려 사항도 있다.
산업용 케이블의 원하는 특성 중 일부는 넓은 온도 범위, 햇빛 저항성, 높은 내유성, 최소 연신율, 높은 인장 강도, 우수한 내마모성, 작은 굽힘 반경, 낮은 정전 용량 및 화염 전파이다. 이러한 기준의 대부분을 충족하는 케이블을 생산하는 것이 가능은 하지만, 그러한 케이블을 생산하는 비용은 시장에서 받아들여지지 않을 것이다.
대부분의 OEM과 최종 사용자에게는 단일 크기 적용이 비용 때문에 바람직하지 않기 때문에 두 번째 고려 사항으로 전체 시스템 비용과 전체 애플리케이션을 기반으로 최상의 솔루션을 일치시키는 것이 중요하다.
Q: 비틀림 및 로봇 관련 케이블에 대한 설계 고려 사항은 무엇인가?
비틀림(3D 로봇) 케이블은 드래그 체인 케이블과 동일한 많은 환경 요인을 견뎌야 하다. 앞서 언급했듯이 적절한 권장 사항을 제시하거나 최상의 솔루션을 설계하려면 애플리케이션 전체를 이해해야 한다.
전체 길이를 따라 케이블이 휘어지는 현상은 드래그체인 및 비틀림 애플리케이션에 나타나지 않지만 케이블에 추가 회전 응력이 적용된다. 이는 다관절 로봇에서 4축이 한 방향으로 회전하고 6축 이 반대 방향으로 회전할 때 나타난다. 케이블 제조 업체는 이제 추가 응력과 관련하여 구리 가닥의 메모리를 고려해야 한다. 이를 염두에 두고 비틀림 값(+/- XXX°)이 비틀림 케이블의 가장 중요한 매개변수 중 하나임을 이해해야 한다.
Q: 가속도, 이동 속도 및 비틀림 요구 사항이 소재 선택 또는 케이블 개발에 어떤 영향을 주는가?
매우 동적인 애플리케이션의 케이블은 최대 50m/s²의 가속력과 빠르고 가혹한 감속(편타 효과, whiplash effect)을 견뎌야 한다. 여기엔 일정 정도의 강성을 가진 재료를 사용하는 것이 장수명에 중요하다. 클래스 6 연선의 표준 트레이 케이블을 동일한 구조의 드래그 체인 케이블과 비교하면 더 단단한 느낌을 주는 것처럼 보일 것이다. 잘못된 재료를 선택하면 전체 무게가 증가하고 케이블과 케이블(드래그 체인/드레스 팩)의 수명이 모두 단축될 수 있다.
Q: 드레스 팩(dress packs)의 드래그 체인 케이블과 로봇 케이블 모두에 대해 현장에서 나타나는 주요 고장은 무엇인가?
대부분의 드레스 팩 고장(약 85%)은 케이블 및 호스 고장이다. 여기에는 필드버스 또는 제어 케이블에 간헐성 문제를 일으키는 끊어진 가닥으로부터 케이블 길이를 따라 높은 스트레스 지점에서 케이블의 치명적인 고장에 이르기까지 다양하다. 드래그 체인케이블의 경우 가장 일반적인 실패는 ‘코르크 나사 조임’이다.
▲ 드래그 체인 케이블은 항상 이동 중이다. 높은 가속, 조밀한 굽힘 반경 및 지속적인 마모는 재료에 대한 지속적인 변형을 의미한다. Helukabel의 드래그 체인 테스트 시스템을 사용하면 다양한 이동 거리와 체인 반경을 적용할 수 있으므로 다양한 작동 조건에 서의 시뮬레이션이 가능하다.
Q: 드래그 체인 적용 분야에서 발견한 가장 큰 설계 결함은 무엇인가?
5파운드 가방에 10파운드를 담을 수는 없지만, 많은 엔지니어들은 어떻게 든 설계를 하고 있다. 드래그 체인은 디자인 프로세스에서 우선 순위가 높은 구성 요소가 아니다. 그러나 갠트리 로봇의 경우 어느 지점에서 케이블과 호스가 패널에서 X축, Y축, Z축으로 연결되어야 한다.
전기 계약자가 우리의 TOPSERV 650 VFD와 같은 TPE 재킷 서보 케이블 상단의 드래그 체인을 통해 PVC재킷 이더넷 케이블을 연결한 경우가 있었다. 패키지가 원래 너무 많은 내용물로 설계되었거나 또는 수많은 수리 또는 업그레이드 때문인지, 가장자리까지 채워진 드래그 체인은 수명이 단축되고 가동 중지 시간이 훨씬 더 길어졌다.
▲ 드래그 체인 내에서 케이블과 호스의 무게를 고르게 분산하고 체인을 과도하게 채우지 않는 것이 중요하다.
Q: 다른 체계적 설계 결함은 어떤 것이 있는가?
고르지 않은 무게 분포는 과충진 상황 다음으로 가장 자주 발생하는 설계 결함이다. 시간이 지남에 따라 드래그 체인이 한쪽으로 기울어질 수 있다. 이는 드래그 체인의 개별 링크에 과도한 스트레스를 유발하여 특히 장거리 이동, 글라이딩 애플리케이션에서 드래그 체인 자체의 수명을 단축시킨다.
다음은 내부 분리의 부족이며, 이로 인해 수많은 문제가 발생할 수 있다. 분리에 대한 경험 법칙은 케이블의 안전 계수가 10%이고 호스의 안전 계수가 20%인 공동을 만드는 것이다. 이것은 O.D. 20mm의 경우 이동하는 캐비티의 내부 치수는 22mm x 22mm여야 한다. 내부 칸막이와 분리기를 추가하면 드래그 체인의 초기 비용이 증가하지만 수명이 지나면서 총소유 비용과 가동 중지 시간이 줄어든다.
Q: 플러그 앤 플레이 드래그 체인 솔루션을 설계하고 구축할 때 가장 좋은 핵심 사항은 무엇인가?
무엇보다 패키지를 무엇으로 구성할지 결정해야 한다. 일부 다른 매개변수에 대해 확신이 없더라도 충전 패키지는 드래그 체인이 작동해야 하는 기계를 충족해야 한다. 모든 구성 요소를 애플리케이션에 적절하게 일치시키는 것이 또 다른 핵심이다.
예를 들어 실제 가속도가 20m/s²일 때 가속도가 5m/s²인 케이블을 사용하는 경우를 들 수 있다. 케이블이 작동할까? 가능하지만 얼마나 오래? 드래그 체인의 굽힘 반경이 각 케이블/호스 굽힘 반경을 수용하는지 확인해야 한다. 지정된 굽힘 반경을 초과하여 세로 방향으로 지속적으로 응력을 받는 케이블은 조기에 파손된다.
Q: 드래그 체인이 고장 나고 있는지를 확인하기 위해 최종 사용자가 알 수 있는 가장 좋은 지표는 무엇인가?
프레임 스테이(frame stays)가 없거나 해당 링크에서 부분적으로 끊어진 것처럼 보이는 경우 문제가 있을 수 있음을 나타내는 명확한 지표다. 이 지표는 더 깊고 보이지 않는 시스템 문제의 증상일 수 있기 때문에 까다롭다.
수축된 위치에서 확장된 위치로 이동할 때 ‘떨림(twitchy)’으로 보이는 드래그 체인이 있을 수 있다. 가능한 원인은 하나 이상의 링크가 고장이 나기 시작했거나 드래그 체인 및 안내 시스템에 파편이 있는 것일 수 있다. 이웃을 교차하기 시작하거나 코르크 나사 조임의 징후를 보이는 케이블을 찾아야 한다.
Q: 로봇 드레스 팩의 엔지니어링 설계에서 발생하는 실수는 무엇인가?
가장 큰 실수는 채우기 패키지의 일부로 드래그 체인 정격 케이블을 사용하는 것이다. 이는 좋은 케이블이 잘못된 용도로 사용되는 좋은 예다. VNTC와 같은 상용 케이블을 넘어 프리미엄 케이블로 전환하면 케이블의 견고성이 성능 수준으로 올라간다.
유연한 케이블을 모든 애플리케이션에서 사용할 수 있다는 의미는 아니다. 드래그 체인 애플리케이션에 사용되는 케이블은 제한된 양의 비틀림을 견딜 수 있다. 그러나 대부분의 제조업체는 테스트가 수행되지 않았고 더 중요한 것은 드래그 체인 및 비틀림 등급 케이블의 설계와 구성이 다르기 때문에 이러한 유형의 케이블 사용을 권장하지 않는다.
Q: 드레스 팩을 디자인하고 구축할 때 가장 좋은 핵심 사례는 무엇인가?
먼저 드레스 팩을 사용하는 이유에 대해 논의해 본다. 케이블과 호스를 케이블 타이(zip tie)로 묶거나 후크 앤 루프(hook and loop) 고정 방법을 사용하는 것이 더 쉽지 않을까? 드레스 팩은 로봇의 작업 주기를 통해 수백만 번 내부 구성 요소를 보호, 관리, 보호 및 안내하기 위해 설치된다. 새로운 드레스 팩을 디자인 할 때 우리는 애플리케이션의 전체 범위를 이해해야 한다. 일종의 중간 패키지 인터페이스가 있는 드레스 팩을 항상 고려해야 한다.
베이스에서 EOAT(end-of-arm-tooling)까지 이어지는 드레스 팩을 설치하는 것은 유지 관리 및 교체 문제가 된다. 3축에서 6축은 케이블과 호스에 가장 많은 기계적 응력이 가해져 가장 많은 고장이 발생하는 곳이다. 2축과 3축 사이의 스윙 암에 연결 지점을 설계하는 것이 좋다. 이것은 빠른 교체를 가능하게 하여 가동 중지 시간을 줄인다.
▲ 산업용 로봇 및 기타 이동 기계에 적용되는 케이블은 종종 극심한 비틀림 하중을 견뎌야 한다. Helukabel은 테스트 시설에서 케이블 축 주위에 이러한 유형의 응력을 시뮬레이션 한다. 이것이 사용된 모든 재료가 신뢰할 수 있고 오래 지속되는지 확인하는 방법이다.
Q: 드레스 팩/충전 패키지가 실패하기 시작했는지 확인하기 위해 최종 사용자가 알 수 있는 가장 좋은 지표는 무엇인가?
앞에서 언급했듯이 케이블과 호스가 가장 자주 고장 난다. 케이블에 전기가 잘 통하지 않거나 데이터 손실 및 유체 누출 가능성은 모두 좋은 단서다. 이들은 짧은 간격으로 실행이 중단되는 셀에서 나타날 수 있다.
몇 가지 기계적 지표도 있다. 케이블 전선이 갈라지거나 찢어지기 시작한다. 충격 보호 장치는 로봇 팔 또는 관절에 실제로 걸리는 지점까지 마모되어 도관의 의도된 이동 경로를 방해할 수 있으며, 케이블이 처지거나 느슨하여진다. 드레스 팩은 로봇의 작업 주기를 통해 내부 구성 요소를 보호, 관리, 보호 및 안내하기 위해 설치된다는 점을 명심해야 한다.
자료제공: helukabel(www.helukabel.com)
