로터리 엔코더를 사용하여 로봇 설계를 최적화하는 12가지 방법
로터리 엔코더는 로봇 모션 제어의 핵심 구성 요소이다. 열악한 조건에서도 축의 정확한 속도와 위치를 지속적으로 전달한다. 또한 로터리 엔코더는 다른 구성 요소의 부정확성을 보정하여 최적의 팔 동작과 위치를 보장한다.
즉 로봇의 동적 성능, 정확성, 신뢰 성을 보장하는 핵심 요소이다. 로터리 엔코더는 그 중요성에도 불구하고 설계 단계에서 과소평가되는 경우가 많다. 제조 관점에서볼 때 엔코더 설치는 간단하고 쉽게 자동화할 수 있어야 한다. 로봇에는 여러 개의 로터리 엔코더가 필요하기 때문에 비용도 중요한 요소이다.
오늘날의 로봇 산업에서는 로터리 엔코더에 대한 다양한 요구 사항이 있으며 이러한 요구 사항은 점점 더 커지고 있다. 최종 고객은 제조 공정을 최적화하고 새로운 애플리케이션을 실현하기 위해 더 높은 동적 성능, 더 무거운 부하 용량, 더 높은 정확도, 더작은 크기, 뛰어난 비용 효율성을 갖춘 로봇을 기대한다. 이 기사 에서는 로봇 설계자가 유도형 로터리 엔코더를 사용하여 이러한 증가하는 요구 사항을 충족하는 방법을 설명하기로 한다.
도전 과제
개발 단계에서는 원하는 로봇 특성을 달성하고 프로젝트 요구 사항을 충족하는 방법에 대한 중요한 설계 결정이 필요하다. 가장 중요한 특성 중 하나는 정확하고 반복 가능한 포지셔닝이다. 설계 관점에서 볼 때 엔코더 조립을 포함한 로봇 생산 비용 한도를 초과하지 않으면서 이를 달성하려면 잘 설계된 솔루션이 필요한 과제이다.
제한된 공간: 로봇의 설치 공간은 항상 제한되어 있으며 특히 소형 코봇의 경우 더욱 그렇다. 특히 정확도를 높이기 위해 조인트당두 개의 로터리 엔코더를 설치하는 경우가 많기 때문에 로터리 엔 코더는 설치 공간이 최대한 작아야 한다. 이 구성에서 모터 피드백 엔코더는 모터의 속도를 측정하고 보조 엔코더는 로봇 축의 실제 동작을 추적한다. 케이블을 포함하여 두 엔코더 모두 사용 가능한 공간에 맞아야 한다.
제로 포지셔닝 및 반전 오류: 근본적인 기계적 효과로 인해 높은 위치 정확도를 달성하기 어렵고 따라서 공구 중심점의 안정적인 위치 설정이 어렵다. 로봇 조인트의 영점 오차, 기어박스의 반전 오차, 하중을 받는 재료의 탄성으로 인해 경로 정확도가 저해된다. 이 세 가지 요소를 통칭하여 히스테리시스(hysteresis)라고 한다. 목표물에 용접하거나 나사를 정확하게 삽입하는 로봇을 만들려면 설계자는 이러한 효과를 관리하는 방법을 배워야 한다.
일치하는 구성 요소 찾기: 모터, 베어링, 기어박스, 샤프트와 같은 부품을 선택할 때 기하학적 제약이 발생한다. 로터리 엔코더는 이러한 구성 요소에 맞게 기하학적으로 충분히 다용도로 사용할 수있거나 일치하는 변형이 가능해야 한다. 그러면 전체 설계를 변경 하고 규모를 조정하기가 더 쉬워진다. 로터리 엔코더는 예상되는 기계적 하중과 용도에 맞게 일체형 베어링이 있는 경우와 없는 경우 모두 사용할 수 있어야 한다.
실제 운영 예측: 작은 요인이 큰 문제로 이어질 수 있는 실제 조건 에서 설계가 어떻게 작동할지 고려하는 것이 중요하다. 특히 드라 이브 트레인의 온도 변동, 노후화, 오염, 진동이 관련된 경우 더욱 그렇다. 한 가지 해결책은 고품질 부품을 설치하는 것이지만, 예산의 한계에 부딪힐 위험이 있다.
기능적 안전 유지: 특히 코봇과 같은 안전 관련 애플리케이션에서는 부상 위험을 제거하는 것이 중요하다. 모든 설계는 해당 안전 표준을 준수해야 한다. 로터리 엔코더는 컨트롤러 전자 장치 및소프트웨어와 함께 로봇 팔의 속도와 가속에 중요한 역할을 하기 때문에 핵심 안전 부품이다. 자체 개발과 부품 수가 많을수록 기능 안전을 준수하기가 더 어려워진다. 인더스트리 4.0의 일환으로 로봇은 예측 유지보수에도 기여할 것으로 기대되고 있다.
디지털화된 진단 및 유지보수 달성: 인더스트리 4.0이 발전함에 따라 제조 기계는 신뢰할 수 있는 인터페이스를 통해 점점 더 많은 양의 실시간 데이터를 제공해야 할 것으로 예상된다. 목표는 예측 유지보수를 통해 무결점, 무중단 운영을 달성하는 것이다. 로터리 엔코더는 현재 상태에 대한 정보를 제공함으로써 이러한 데이터 흐름에 기여해야 한다.
손쉬운 자동화 조립 지원: 생산 비용의 약 70%는 설계 단계에서 내려진 결정에서 발생한다. 이후 설계 또는 제조 공정을 변경하면 비용이 훨씬 더 많이 든다. 따라서 설계자는 조립이 효율적이고 비용 효율적이며 가능한 한 자동화할 수 있는지 확인해야 한다. 생산 비용에 영향을 미치는 다른 요인으로는 설치된 부품 수, 필요한 작업 단계 수, 필요한 교육 수준 등이 있다.
제품 품질 보장: 세부적인 품질 검사, 특히 100% 검사는 사이클 시간을 증가시킨다. 설계자가 장착 공차가 넓고 자동화된 장착 검사 에 적합한 로터리 엔코더를 선택한다면 이러한 검사는 불필요하다.
일정 준수: 디자인 작업에 할당된 프로젝트 시간은 대개 몇 주에 불과할 정도로 제한되어 있다. 따라서 가능한 디자인 반복 횟수가 줄어들고 실험할 수 있는 여지가 거의 없다.
더 나은 설계를 위한 12가지 접근 방식
로봇 설계자는 다양한 요소를 능숙하게 다뤄야 한다. 로봇은 매우 복잡한 시스템이기 때문에 많은 구성 요소가 예상보다 전체 시스템에 큰 영향을 미친다. 단순하고 저렴한 구성 요소를 사용하면 오히려 전체 설계가 더 복잡해지고 오류가 발생하기 쉬우며 비용이 많이 들 수 있다.
하이덴하인(HEIDENHAIN)의 인덕티브 듀얼 엔코더(inductive dual encoders)를 통해 로봇 설계와 생산의 요구 사항을 모두 충족할 수 있는 방법을 알아보도록 한다. ‘KCI 120 Dplus’는 모터의 속도와 출력축의 각도 변위를 측정하는 두 개의 중공축 엔코더를 결합한 제품이다. 이 듀얼 엔코더는 두 개의 로터와 그 사이에 장착된 스캐닝 유닛으로 구성된다. 속도 측정 로터는 모터의 중공축에 장착되고 위치 측정 로터는 출력 축에 부착된다.
1. 공간 절약형 평면 디자인: 듀얼 엔코더의 두 로터용 스캐닝 유닛은 엔코더의 모든 전자 장치를 수용하는 단일 부품인 PCB에 포함되어 있다. 이 부품은 스테이터에 단단히 장착되어 두 로터 사이에 위치한다. 이러한 샌드위치 방식 덕분에 듀얼 엔코더는 기존 로터리 엔코더보다 더 컴팩트해져 축 방향 설치 공간을 최소 15mm 이상 절약할 수 있다. 엔코더는 이중 기능을 갖추고 있지만 케이블과 커넥터가 하나만 필요하므로 공간을 훨씬 더 절약할 수 있다. 또한 로터에는 자체 베어링이 필요하지 않다. 이러한 모든 요소 덕분에 엔코더의 무게가 크게 줄어든다.
2. 높은 위치 정확도: 보조 엔코더에 해당하는 출력 측 엔코더는 공구 중심점의 위치 정확도와 반복성을 크게 향상시킨다. 제로 위치 오차, 반전 오차 및 조인트 탄성을 보정한다. 애플리케이션에 따라 최대 80%까지 개선할 수 있다. 각 로터가 샤프트에 직접 연결되고 스캐닝 유닛이 모터에서 분리되어 있기 때문에(즉, 아웃풋 샤프트) 진동에 대한 저항력이 높아 오버슈트를 방지할 수있다. 고강성 샤프트와 스테이터 연결은 또한 매우 높은 고유 주파수를 보장한다. 따라서 엔코더가 모터의 동적 성능을 방해하지 않는다. 속도 제어 루프에 별도의 필터가 필요하지 않다. 로터-샤프트 연결은 기능 안전이 필요한 어플리케이션에서 중요한 기능인 기계적 결함 배제를 보장하도록 설계됐다.
3. 유연한 구성 요소: 하이덴하인의 듀얼 엔코더는 다양한 샤프트 설계를 위해 다양한 허브와 함께 사용할 수 있다. 출력 측에 추가 지지대가 필요한 경우, 베어링(일반적으로 기존 모델)을 확장 허브에 압착 장착할 수 있다. 대량 주문의 경우, 하이덴하인에 특정 직경 또는 형상을 요청할 수 있다.
4. 넓은 허용 오차 범위: 듀얼 엔코더의 인덕티브 스캐닝 방식, 컴팩트한 디자인, 직접 샤프트 연결은 변동이 큰 측정 편차의 영향을 부분적으로 보정할 수 있다. 이는 온도 변동과 노화 과정 에서 특히 두드러진다. 이 엔코더는 드라이브 트레인의 진동을 처리하는 데 탁월하며 설계자는 위치 정확도를 저하시키지 않고 다른 영역에서 더 저렴한 부품을 사용할 수 있다.
5. 높은 동적 성능 지원: 속도를 조금만 높여도 최종 사용자는 상당한 시간을 절약할 수 있다. 하이덴하인의 인덕티브 듀얼 엔코 더는 무게가 0.05kg에 불과하다. 엔코더의 낮은 질량과 견고한 로터 연결부는 기계 설계의 동적 성능에 긍정적인 영향을 미쳐 로봇 팔이 더 빠르게 움직일 수 있게 해준다. 낮은 질량은 협업 애플리케이션에서도 유용하다.
6. 더 적은 부품으로 더 적은 마모 달성: 인덕티브 스캐닝 방식은 LED, 광센서, 베어링이 필요하지 않다. 따라서 시동 토크가 낮고 온도 변화에 덜 민감하다. 베어링 그리스가 없기 때문이다. 이 모든 것이 고장 위험을 줄여준다.
7. 기능적 안전성 보장: 코봇과 같은 안전 관련 애플리케이션에서는 책임 위험을 최소화해야 한다. 해당 표준인 EN ISO 13849-1(EN 954-1의 후속 버전), EN 61508, EN 61800-5-2는 모듈식 접근 방식을 채택하여 부분적으로 통합된 구성 요소와 하위 시스템의 고장 가능성을 기준으로 안전 관련 시스템을 평가한다. 이러한 표준에 따라 인증을 받은 엔코더는 안전 관련 전체 시스템의 구현을 간소화한다.
8. 예측 유지보수 및 상태 모니터링 활성화: 듀얼 엔코더의 인덕티브 스캐닝 방식, 컴팩트한 디자인, 직접 샤프트 연결은 변동이큰 측정 편차의 영향을 부분적으로 보정할 수 있다. 이는 온도 변동과 노화 과정에서 특히 두드러진다. 이 엔코더는 드라이브 트레인의 진동을 처리하는 데 탁월하며 설계자는 위치 정확 도를 저하시키지 않고 다른 영역에서 더 저렴한 부품을 사용할수 있다.
9. 리드 타임 단축: 쉽게 자동화할 수 있는 조립 방식은 리드 타임에 긍정적인 영향을 미친다. 듀얼 엔코더의 로터를 부착하는 프레스 피팅 방식은 나사 고정 또는 나사 클램핑 방식에 비해 이점이 있다. 로터와 스캐닝 유닛 사이의 불완전한 장착 거리를 보정할 수 있는 엔코더에 내장된 전자 장치 덕분에 조립이 훨씬 쉬워졌다.
10. 더 간단한 조립: 조립 단계가 까다로울수록 직원에게 더 많은 교육이 필요하다. 하이덴하인의 듀얼 엔코더는 샤프트의 특정 로터 방향이 필요하지 않으며, 3개의 엔코더 부품에 정해진 페어링이 없으므로 조립이 간단하다. 부품은 방향을 표시 하지 않고도 조립할 수 있다. 또한 프레스 피팅 공정으로 나사가 필요 없고 자동화가 용이하다. 따라서 조립에 필요한 전반 적인 교육이 줄어든다.
11. 품질 및 프로세스 신뢰성 보장: 하이덴하인 베어링리스 엔코더는 시스템이 올바르게 설치되고 작동하는지 여부를 즉시 확인할 수 있는 전자식 장착 진단 기능을 제공한다. 하이덴하인 듀얼 엔코더의 경우, 인터페이스는 세 개의 부품이 허용 간격 공차 내에 장착되었는지 여부를 표시한다. 지능형 로터리 엔코더에는 다른 유용한 기능도 있다. 일부 모델은 캘리브레이션 실행이 필요하지 않아 장착 후 즉시 작동할 수 있는 마운트 앤 플레이 기능을 제공한다. 일부 모델에는 인터페이스를 통해 액세스할 수 있는 전자 ID 라벨이 있어 ID 번호와 일련 번호에 액세스할 수 있다. 재기록 가능한 비휘발성 메모리 영역에 설치자는 작동 파라미터, 테스트 결과(고장 방지 장착), 로봇 일련 번호, 생산 날짜 등 자체 데이터를 저장할 수 있으 므로 자동화된 설정이 가능하다.
12. 더 빠른 설계: 로봇 설계는 더 이상 새로운 분야가 아니며 새로운 모델 개발에는 엄격한 마감 기한이 적용된다. 기능 안전 인증을 받은 듀얼 엔코더를 사용하면 설계자의 세부 작업을 줄이고 안전 문서화를 간소화할 수 있다. 이러한 이점을 통해 설계 시간을 단축하고 오류로 인한 중단 횟수를 줄일 수 있다.
자료제공: HEIDENHAIN(www.heidenhain.de)
