로봇 위치 지정 시스템은 창고, 항공우주 및 자동차 시설에서 한 대의 로봇이 여러 작업을 수행할 수 있도록 하는 긴 트랙입니다. 로봇 이송 장치(RTU) 또는 7축 시스템이라고도 불리는 이러한 모션 제어 시스템은 조립, 대규모 용접 및 창고 관리에 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

로봇이 바닥에 고정되는 일반적인 설치 방식과 달리, RTU(Robot Transition Unit)는 작업 셀과 공장 내에서 로봇을 이동시키고 스테이션 간에 셔틀링합니다. RTU를 사용하기에 가장 적합한 환경은 새로 건설되는 시설이나 공정 및 관련 기계를 일렬로 배치할 수 있는 시설입니다. RTU가 6축 로봇을 이동시키는 경우, 선형 트랙을 7축(로봇 자체의 자유도가 7개인 경우에는 8축)이라고도 합니다. 이러한 트랙이 로봇이 매달리는 프레임을 포함한 프레임의 일부인 경우, 이를 갠트리라고 합니다.

로봇이나 트랙 형태와 관계없이 추가 축의 목적은 병진 운동을 추가하는 것입니다. 이를 통해 작업 영역을 확장하거나 로봇이 공작물이나 공구를 운반할 수 있습니다. 전자의 경우, 로봇은 여러 기계를 동시에 관리하거나 팔레트에서 제품을 집어 올리거나 매우 큰 부품을 가공할 수 있습니다. 후자의 경우, 포장, 용접, 플라즈마 아크 절단 및 기타 기계 가공 작업에 일반적으로 사용됩니다.

여기서는 RTU의 구동 방식에 초점을 맞추지만, 엔지니어는 다양한 가이드 및 베어링(일반적으로 캠 팔로워 또는 프로파일 가이드 형태) 중에서 선택해야 한다는 점에 유의해야 합니다.

RTU(실시간 장치)의 설계 및 구동 옵션은 매우 다양합니다.
일부 갠트리에는 로봇을 뒤집어 매달아 기계 위쪽에서 더 쉽게 접근할 수 있도록 프레임이 포함되어 있지만, 바닥에 볼트로 고정되어 로봇을 똑바로 세우는 RTU가 가장 일반적입니다. 이러한 RTU는 평균적으로 더 높은 페이로드를 지원하며, 로봇 팔과 집게로 잡은 물체가 수천 파운드에 달할 수 있습니다.

엔지니어는 사전 설계된 RTU를 구매하거나 모션 시스템 전문 지식을 활용하여 자체적으로 RTU를 제작할 수 있습니다. 가장 간단한 형태는 로봇이 볼트로 고정되는 플랫폼을 갖춘 선형 트랙 쌍입니다. 그러나 많은 OEM 업체는 RTU에 탑재된 로봇이 고정밀 작업을 수행해야 하는 경우, 예를 들어 절삭 작업(여러 축의 관절 움직임을 동기화해야 하는 설계)이나 주조물을 다양한 공작 기계를 통해 이동시켜 가공하는 작업 등에 전문 시스템 통합업체를 활용합니다.

로봇 이송 장치(RTU) 설계에서 가장 큰 과제는 RTU가 운반하는 로봇 팔의 관절 움직임과 동기화되도록 프로그래밍하는 것입니다. 두 번째로 큰 과제는 RTU가 수 미터에 걸쳐 정확한 직선 운동을 유지하도록 하는 것입니다.

긴 스트로크에 필요한 신체적 요건 충족
때로는 속도가 RTU 설계의 최우선 목표가 될 수 있습니다. 특히 RTU가 로봇을 수백 피트 이상, 특수 환경에서는 그보다 더 멀리 이동시킬 때 더욱 그렇습니다. 움직이는 로봇, 특히 수천 파운드에 달하는 로봇 팔과 탑재물을 고려했을 때 '고속'이라는 개념은 상대적입니다. 하지만 일부 RTU는 초당 10피트 이상의 속도로 최대 1g의 가속도를 견뎌낼 수 있습니다.

하지만 종종 정확성이 RTU 설계의 최우선 목표가 됩니다. 예를 들어, 로봇이 협업 작업 셀의 가공 작업을 지원하는 경우를 생각해 보세요. 이러한 경우, 주변 프레임워크가 높은 정확도를 유지할 수 있을 때만 속도와 로봇 작업 영역 확장이 유용합니다. 이러한 설계에서는 일반적으로 0.02mm의 정확도와 트랙 이동 중 0.2mm 정도의 위치 반복성이 요구됩니다.

반면, 적응형 제어 기능을 시험하지만 절대적인 정밀도가 덜 중요한 응용 분야에 로봇 팔을 사용하는 경우라면 다른 구성도 가능할 수 있습니다. 예를 들어, 화물 컨테이너 하역 작업을 위해 로봇 팔이 장착된 이동식 차량을 사용하는 것도 가능합니다.

설계 방식과 관계없이, RTU(원격 제어 장치)는 일반적으로 여러 공장 기능 및 다양한 기계 장치와 연관되어 있기 때문에 낮은 유지보수 비용과 긴 수명은 모든 RTU 시스템에 매우 중요합니다. 따라서 RTU 가동 중단은 종종 다른 설비의 가동 중단으로 이어집니다.

통합 안전은 또한 매우 중요합니다. 왜냐하면 많은 RTU(로봇 보조 장치)가 공작 기계나 작업자와 같은 고가의 장비가 있는 현장, 특히 조립 작업자가 있는 구역 주변에서 로봇을 이동시키기 때문입니다.

RTU용 벨트, 나사 및 공압 장치
중간 정도의 직선 거리를 이동하는 로봇 갠트리는 종종 모터와 벨트 구동 장치를 함께 사용합니다. 이러한 시스템은 비교적 간단하며, 전기 모터로 구동되는 풀리를 사용하여 벨트에 장력을 발생시키고 빠르게 가속합니다. 그러나 이동 거리가 길어질수록 시스템이 벨트 전체 길이에 걸쳐 장력을 유지하지 못하면 벨트가 처지는 문제가 발생할 수 있습니다. 여기서 문제는 하중 제한이 아니라, 벨트의 장력 감소로 인한 이동 손실 위험입니다.

확장성 제약 조건에는 예외가 있습니다. 일부 RTU(로봇 보조 장치)에서는 공통 구동축에서 구동되는 벨트 축이 하모닉 크랭크를 구동합니다. 이러한 경우, 적절한 조건에서 벨트 구동 방식은 긴 스트로크의 로봇 위치 지정에서도 정확도를 유지할 수 있습니다. 가장 성공적인 벨트 구동식 RTU는 벨트 구동 방식의 정밀도를 높이기 위해 프레임과 선형 트랙을 상호 보완적인 방향으로 배치합니다. 벨트 구동식 레일 액추에이터를 사용하는 일부 RTU는 1톤 로봇을 수십 피트 이동시키는 동안에도 ± 0.001인치의 반복 정밀도를 유지할 수 있습니다. 이러한 경우(적절한 레일 덕분에) 벨트 구동식 액추에이터는 다른 방식보다 저렴하고 유연한 RTU를 구현할 수 있습니다.

7축 구동 방식의 또 다른 옵션은 볼스크류 구동 방식입니다. 이 방식은 벨트 구동 방식에서 발생할 수 있는 진동과 탄성 문제를 해결합니다. 기본적으로 고정된 기계 요소가 정밀한 정지 및 위치 제어를 담당합니다.

볼스크류는 일반적으로 간헐적 베어링 지지대를 사용하면 최대 약 6미터 길이까지 잘 작동합니다. 하지만 축이 더 길어지면, 특히 충분한 지지대가 없을 경우 고속에서 스크류가 휘어지는 현상이 발생합니다. 이는 볼스크류 축이 자체 무게로 인해 휘어지기 때문입니다. 임계 속도(스크류 축 직경, 직진도, 정렬 상태, 지지되지 않은 길이 등에 따라 결정됨)에 도달하면, 이 움직임으로 인해 축의 고유 진동수가 발생합니다. 따라서 볼스크류의 길이가 길어질수록 최대 속도는 감소합니다.

일부 시스템에서는 분리되었다가 다시 결합되는 베어링 블록을 사용하여 스크류를 지지함으로써 흔들림 없이 더 긴 거리를 이동할 수 있도록 합니다. 그러나 초장거리 볼스크류 구동 트랙의 경우, 제조사는 여러 개의 스크류를 접합해야 합니다(일반적으로 뒤틀림을 방지하기 위해 용접 대신 접착제를 사용). 그렇지 않으면 흔들림 문제를 해결하기 위해 스크류의 직경을 훨씬 크게 만들어야 합니다. 이러한 볼스크류 기반 시스템의 스트로크는 최대 10미터에 달하고 회전 속도는 4,000rpm에 이릅니다. 또 다른 주의 사항은 로봇 트랙의 스크류는 먼지와 이물질로부터 보호해야 한다는 것입니다. 하지만 전기 모터와 볼스크류를 결합한 RTU는 벨트 구동 방식의 축보다 더 큰 하중을 처리할 수 있습니다.

긴 스트로크 설정을 위한 유압식 구동 장치도 있습니다. 이러한 공압식 RTU는 일반적으로 앞뒤로 두 번만 정지하는 위치 지정이 필요한 애플리케이션에 적합한 저비용 솔루션입니다. 일반적인 제품은 초당 2m의 속도로 이동하며 다른 로봇 제어 시스템과 통합할 수 있습니다.

정밀 RTU용 선형 모터
(예를 들어 실험실 로봇 공학에 사용되는) 장행정 RTU는 선형 모터 구동 방식을 사용할 수 있습니다. 이러한 RTU 대부분은 최첨단 전자 장치, 절대 엔코더, 그리고 오류나 전원 차단 후에도 축을 추적할 수 있는 모션 제어 기능을 포함하고 있습니다.

일반적인 선형 모터의 도달 거리는 약 4미터 정도입니다. 이러한 도달 거리는 무거운 하중을 견뎌야 하는 RTU 애플리케이션보다는 픽앤플레이스 및 반도체 웨이퍼 핸들링과 같은 작업에 더 적합합니다. 요컨대, RTU에 사용되는 선형 모터는 기계적 정확도를 충족해야 하지만 무거운 하중을 견뎌야 하므로 특히 까다롭습니다. 이러한 요구 사항을 충족하려면 선형 모터의 뛰어난 성능을 가능하게 하는 고가의 영구 자석이 더 많이 필요합니다.

예외도 있습니다. 세계 기록을 보유한 RTU(원격 제어 장치) 중 하나는 12m까지의 정밀한 움직임이 필요한 자동화 시스템을 위해 맞춤 제작된 탠덤 선형 액추에이터를 사용합니다. 견고한 알루미늄 지지 레일은 6열 선형 재순환 볼 베어링 2개와 가이드웨이 어셈블리와 함께 작동합니다. 두 개의 슬롯형 동기식 선형 모터는 최대 4,200N의 힘을 출력합니다.

RTU용 랙앤피니언 세트
시중에서 구할 수 있는 RTU(Range-to-Arm Unit)는 랙앤피니언 방식을 가장 많이 사용합니다. 일반적인 길이는 최대 15미터에 달합니다. 선형 장치의 제어는 로봇 컨트롤러에 수학적으로 연동된 축으로 통합되어 있어 별도의 컨트롤러가 필요하지 않습니다. 이러한 RTU는 브러시리스 AC 서보 모터와 유성 기어박스를 정밀 가공된 헬리컬 랙앤피니언 세트와 결합하여 최대 30미터의 스트로크에서도 정확도를 유지하는 경우가 많습니다. 다른 방식으로는 블록 형태의 구조에서 캐리지가 중하중 롤러를 이용해 단일 모서리 레일 위를 이동하는 방식이 있습니다. 이 경우 레일은 일반적으로 직사각형이며 안쪽 모서리에 랙이 있습니다. 필요에 따라 곡선형 레일과 결합할 수도 있습니다.

로봇을 이동 플랫폼 위에서 움직이게 하는 일부 RTU는 경화강으로 만들어진 평면 레일을 사용하고 이를 캠 팔로워 클러스터와 결합합니다. 다른 RTU는 헬리컬 베벨 감속기와 벨트가 장착된 전기 모터를 사용하여 플랫폼을 구동합니다. 긴 셔틀 축에는 전기 기어 모터가 장착되어 랙에 맞물리는 피니언을 구동합니다.

시뮬레이션 및 프로그래밍 RTU
엔지니어들이 RTU의 경로를 계획하고 이를 로봇 기능과 연동할 수 있도록 해주는 도구들이 존재합니다. 로봇 시뮬레이션 소프트웨어와 일부 모션 컨트롤러 모듈을 사용하면 엔지니어들은 경로를 계획하고, 그 결과를 담은 소프트웨어를 컨트롤러에 로드한 다음, 하나의 하드웨어로 로봇과 RTU를 제어할 수 있습니다.

또 다른 옵션은 로봇 개발 키트를 판매하는 전문 소프트웨어 회사의 소프트웨어를 사용하는 것입니다. 이러한 키트를 사용하면 API를 통해 거의 모든 브랜드의 로봇을 프로그래밍할 수 있습니다. 이러한 소프트웨어 도구들을 비롯한 수많은 소프트웨어 덕분에 로봇 설정이 그 어느 때보다 쉬워졌으며, 특히 모션 제어 또는 CNC 경험이 어느 정도 있는 팀에게 유용합니다. 초기 설계 반복 작업은 일반적으로 오프라인 PC 프로그래밍을 통해 이루어집니다. 그런 다음 작업자가 로봇과 RTU(로봇 장치)를 설치하면 프로그래밍 소프트웨어가 컨트롤러에 로드될 코드를 생성합니다. 소프트웨어는 프로그래밍된 경로를 따라 RTU와 로봇을 구동하여 문제를 테스트합니다. 다음으로 설치자는 펜던트를 사용하여 로봇의 그리퍼, 커터 또는 엔드 이펙터를 작업별 위치 지정하고 컨트롤러는 이러한 움직임을 기록합니다. 또는 설치자는 전체 설정에 펜던트를 사용한 다음 백엔드에서 궤적을 다듬을 수도 있는데, 이는 점점 더 보편화되고 있는 접근 방식입니다.

주의 사항: RTU는 로봇 교정을 복잡하게 만듭니다.
물리적 설치 후 RTU와 로봇은 보정이 필요합니다. 문제는 RTU와 결합된 산업용 로봇이 반복 가능하지만 정확도가 떨어지는 움직임을 보이는 경우가 많아 시뮬레이션 근사치와 다른 출력 동작을 생성한다는 점입니다. 산업용 로봇 단독으로는 평균적으로 단방향 반복 정밀도가 0.1mm에서 0.01mm 정도입니다. 일반적인 축은 백래시가 없는 기어헤드와 모터로 구성되며, 컨트롤러는 고해상도 엔코더를 사용하여 이들을 추적합니다. 기어와 같은 조립품 및 부품으로 인해 (주로 기계적 유연성으로 인한) 동작 손실이 발생하기 때문에 출력 동작 정확도를 더욱 높이는 것은 비용이 많이 듭니다. 따라서 제어 시스템은 경우에 따라 밀리미터 단위의 위치 오차를 보정해야 하는 경우가 많습니다.

기존 로봇 교정 방식은 고가의 레이저 정렬을 사용합니다. 이 방식은 경우에 따라 출력 오차를 최대 20배까지 줄일 수 있습니다. 또는 로봇 제조업체에서 공장 교정 서비스를 제공하기도 합니다. 로봇 교정 전문 업체는 RTU 추가가 로봇의 전체 정밀도에 미치는 영향을 고려한 서비스도 제공합니다. 그 외에도 듀얼 카메라 센서를 사용하면 광학 장치와 특수 조명을 통해 탐색 검사 및 동적 측정이 가능합니다. 기계식 교정 방식도 하나의 옵션이지만, 긴 트랙을 주행하는 로봇에는 적용하기가 더 어렵습니다.