신속하고 정확한 모션을 위한 통합 솔루션 클린룸 로봇 솔루션 사례

Elmo의 whistle 드라이브는 지능형, 고출력 및 소형 드라이브이다.

이 사례 연구에서는 대형 자동화 및 로봇 회사인 고객 중 하나가 클린룸 로봇 응용 분야에 Elmo의 기술을 어떻게 사용했는지를 보여준다. 클린룸 로봇을 위해 Elmo의 Whistle 15/60 제품이 활용되었다.

필요사항 : 작은 사이즈, 높은 전력

대형 로봇/자동화기기 업체인 Elmo의 고객사가 필요로 했던 클린룸 로봇의 조건은 다음과 같았다. 성냥 갑 크기의 서보 드라이브를 사용하여 3.3kW 의 최대 전력을 확보할 수 있을 것 드라이브를 기계 위 어느 곳에나 위치시킬 수 있을 것 개발 시간을 최소화하여 빠르게 시장에 내보일 수 있을 것

클린룸 로봇 - 제한된 공간과 4개의 축

클린룸에서 LCD 패널을 이송하는 이송 로봇이 필요했는데, 이와 관련해 다음과 같은 몇 가지 문제점이 있다. 부드럽고 빠른 움직임: 충분한 전력을 공급하고 모션 제어 능력이 뛰어난 드라이브가 필요하다. 작은 사이즈: 아래 설명된 것처럼 사용 가능한 공간의 대부분을 시스템의 다른 부분이 차지한다. 좋은 연결성: 스마트 드라이브는 빠르고 쉬운 주문 제작(사용자 설정)을 가능하게 하였다. 높은 안정성/신뢰성: 클린룸은 비용이 많이 들기 때문에 가동 중단 시간은 용납되지 않는다.

기계 설명

Elmo의 Whistle 드라이브가 통합된 제품은 매우 빠르게 물건을 움직이게 하고 매우 정확하게 위치시키는 고급 로봇이다. 로봇은 클린룸 환경에서 LCD 패널을 제조하는 자동화 기계의 작업 공정에 적용된다. 소형 LCD 스크린은 스마트폰, PDA, 게임 보이 등과 같은 다양한 제품에 사용된다. 고급 로봇은 클린룸을 위한 자동화 기계 전문 대형 반도체 회사에서 생산된다.

생산 과정에서 LCD 패널은 자동 클린룸 기계의 여러 부분에서 수행되는 여러 가지 프로세스를 거친다. 로봇은 LCD 화면을 전송하여 이를 기계에 ‘공급’한다. 로봇은 4개의 자유도(DOF)가 있고 여러 개의 관절을 가지고 있어 로봇이 평면 내에서 원하는 위치로 움직일 수 있으며 4번째의 중앙 샤프트는 움직임을 확장한다. 정밀도, 정확도 및 속도는 이 애플리케이션에 필요한 필수 요소이다. 3개의 관절과 팔, 선형이동으로 회전 운동을 전달하는데 사용되는 1개의 업/다운 리드 나사 관절, 로봇의 ‘손’ 과 ‘손가락’, 그리고 드라이브, 다출 컨트롤러, 파워서플라이, 그리고 모든 전기장치로 구성되는 외부 케이스로 구성된 로봇의 구조를 다음 그림이 설명한다.

문제점

로봇 팀은 많은 설계 과제를 가지고 있는데 그 중 일부는 요구 사항에 내재되어 있고 일부는 구현 중에 발생한다. 제한된 공간: 로봇의 케이스 크기는 고정되어 있으며 대형 클린룸 장비의 일부이므로 변경할 수 없다. 따라서 작은 풋 프린트(foot print)로 소형(compact)의 드라이브는 애플리케이션의 솔루션에 필수적이다. 정확도와 빠른 움직임은 기계의 최종 처리량을 결정한다.

최소한의 실패율과 높은 MTBF(평균 고장 간격) 로봇은 하루 24시간 연중무휴 계속 작동하는 기계의 일부이다. 이러한 프로세스의 중단은 고객에게 많은 비용 소모를 유도한다. 다 축 제어 시스템의 일부로 드라이브를 통합하는 것은 쉽고 간단해야 한다. 이는 R&D 시간과 비용을 크게 줄인다. 로봇은 (1)알람, (2)서보 on/off, (3) 브레이크의 3가지 디지털 출력이 필요하다.

엘모의 솔루션: PCB- 마운트 드라이브

로봇은 팔의 마지막 관절의 끝점에 부착되는 평평한 ‘손(hand)’을 가지고 있다. 그것은 세 개의 넓고 평평한 ‘손가락’ 과 각각의 ‘손가락’ 에는 하나의 LCD 평면 스크린을 잡고 이를 스테이션에 안전히 전송할 수 있는 작은 진공 구멍이 있다. 로봇의 기능은 다음 단계로 넘어 갈 준비가 된 3개의 LCD 화면 아래로 손을 미끄러뜨린 다음에 손을 랙(rack)에서 다음 스테이션으로 빠르고 부드럽고 정확하게 옮긴다. 4개의 핀 기반 Whistle 드라이브는 고객이 설계한 단일 PCB에 통합되어 있다. 중앙 집중 식 다축 컨트롤러가 동일한 PCB 에 통합되어 있고 이 컨트롤러가 드라이브로 신호와 방향 명령을 전송한다.

티칭 펜던트는 RS-232 통신 채널을 통해 멀티 축 컨트롤러와 통신하기 위해 사용된다. 처음에 사용자는 프로그래밍을 통해 로봇을 공간에서 원하는 끝점으로 이동하는 방법을 ‘가르치고’ 멀티 축 컨트롤러로 명령을 전송한다. 다중 축 컨트롤러는 각 축의 운동 궤적을 별도로 계산한다. 이러한 궤적들이 동기화되고 조정되면 로봇은 공간의 어떤 위치로든 자동으로 이동하게 된다. 크기가 작기 때문에 이 용도로 Whistle 디지털 드라이브가 선택 되었다. 이에 따라 로봇 팔은 관절에 통합될 수 있다.

Whistle은 매우 작은데 55×15×46.5㎜ 사이즈이다. 4개 WHI-15/60s은 로봇에 설치되기로 선택되었다. Whistle 드라이브는 높은 신뢰성을 가지고 가장 엄격한 산업용 응용 분야의 요구를 충족시키기 위해 설계되었다. LCD 패널의 생산과 클린룸 환경의 운영은 다운 타임이 발생하면 비용이 매우 많이 든다. Elmo의 높은 MTBF (평균 고장 간격) 드라이브가 이러한 요구 사항을 뒷받침한다. 초기 이동 동안 로봇 팔을 고속으로 가속할 수 있도록 30A 의 피크 전류를 제공한다.

이 드라이브는 드라이브에 구현된 Elmo의 고급 모션 컨트롤 알고리즘을 통해 매우 정밀하고 부드러운 이동이 가능하다. Elmo의 독점적인 Composer 소프트웨어는 Whistle을 프로그램화 할 때 사용되고 부드러운 움직임이 필요한 정확한 작업을 로봇이 수행하도록 한다. PCB를 위한 로봇 케이스에는 매우 좁은 공간 (드라이브 및 복수 축 컨트롤러), z 축 리드 나사 및 기어박스, 전원 공급 장치, 변압기 및 케이블 등이 있다.

Elmo의 작고 강력한 드라이브는 공간을 최소로 확보하기에 필수적이었다. PCB 상의 Elmo의 핀 기반 Whistle 드라이브를 단순하고 빠르게 통합하는 것은 엔지니어링 개발 시간을 최소화하는데 필수적이었다. 이 불균형 수직 축은 Elmo의 상/하 Whistle 구동에 의해 제어되고 외부 브레이크를 제어하기 위해 특수 출력을 사용하여 조정된다. 여분의 디지털 출력으로 보조 엔코더 핀을 사용하기 위해 이 응용 프로그램용 펌웨어의 특수 버전이 개발되었다. Elmo의 지원 및 구현 엔지니어 팀은 설계 및 구현의 모든 단계에서 고객과 협력하여 발생하는 문제에 대한 엔지니어링 솔루션을 식별한다.

자료제공 : Elmo