로봇 위치 제어 시스템은 창고, 항공우주, 자동차 시설에서 하나의 로봇이 여러 작업을 수행할 수 있도록 하는 긴 트랙입니다. 로봇 이송 장치(RTU) 또는 7축 시스템이라고도 불리는 이러한 모션 설계는 조립, 대규모 용접, 창고 관리 분야에서 점점 더 보편화되고 있습니다.

로봇이 바닥에 볼트로 고정되는 일반적인 설정과 달리, RTU는 로봇을 작업 셀과 공장을 통과하도록 이동시키고 스테이션 간을 왕복시킵니다. RTU에 가장 적합한 설정은 막 구축 중인 로봇이나 공정 및 관련 기계들을 일렬로 배치할 수 있는 로봇입니다. RTU가 6축 로봇을 이동하는 경우, 선형 트랙은 7번째 축(또는 드물게 로봇 자체의 자유도가 7인 경우 8번째 축)이라고도 합니다. 이러한 트랙이 로봇이 매달려 있는 프레임을 포함하여 프레임의 일부인 경우, 이를 갠트리라고 합니다.

로봇이나 트랙 형태와 관계없이, 추가 축의 핵심은 병진 운동을 추가하는 것입니다. 이는 작업 범위를 확장하거나 로봇이 작업물이나 공구를 운반할 수 있도록 합니다. 어떤 경우에는 추가 축을 통해 로봇이 여러 대의 기계를 관리하거나, 여러 줄에서 팔레트를 집거나, 매우 큰 부품을 가공할 수 있습니다. 추가 축의 일반적인 적용 분야는 포장, 용접, 플라즈마 아크 절단 및 기타 기계 작업입니다.

여기서는 RTU용 구동 옵션에 중점을 둡니다. 하지만 엔지니어는 다양한 가이드와 베어링(일반적으로 캠 팔로워 또는 프로파일 가이드 형태) 중 하나를 선택해야 한다는 점에 유의해야 합니다.

RTU에 대한 설계 및 드라이브 옵션이 풍부합니다.
일부 갠트리에는 로봇을 뒤집어 매달아 위에서 기계에 더 쉽게 접근할 수 있도록 하는 프레임이 포함되어 있지만, 바닥에 볼트로 고정하여 로봇을 똑바로 세우는 RTU가 가장 일반적입니다. 이러한 RTU는 평균적으로 더 높은 탑재량을 가지고 있으며, 로봇 팔과 수천 파운드에 달하는 적재물을 운반합니다.

엔지니어는 사전 설계된 RTU를 구매하거나 모션 시스템 전문 지식을 활용하여 자체적으로 RTU를 제작할 수 있습니다. 가장 간단한 방법은 로봇이 볼트로 고정되는 플랫폼을 갖춘 선형 트랙 쌍입니다. 그러나 많은 OEM은 RTU에 장착된 로봇이 고정밀 작업을 수행하는 상황, 예를 들어 절삭 작업(다축의 관절을 설계상 동기화해야 하는 경우)이나 다양한 공작 기계를 통해 주물을 이송하여 가공하는 경우 전담 통합업체를 활용합니다.

로봇 이송 장치를 설계하는 데 있어 가장 큰 과제는 로봇 팔의 관절 운동과 동기화되도록 프로그래밍하는 것입니다. 두 번째로 큰 과제는 RTU가 수 미터에 걸쳐 정확한 선형 운동을 유지하도록 하는 것입니다.

장거리 스트로크에 필요한 신체적 요건 충족
때로는 속도가 RTU 설계의 최우선 목표가 될 수 있습니다. 특히 RTU가 특수 환경에서 로봇을 수백 피트(약 20미터) 이상 이동시킬 때 더욱 그렇습니다. 움직이는 로봇, 때로는 수천 파운드(약 100kg)의 팔과 탑재물(페이로드)을 사용하는 로봇의 경우, 빠른 속도는 상대적인 개념입니다. 그러나 일부 RTU는 1g의 가속도로 초당 10피트(약 3미터) 이상의 속도로 이동할 수 있습니다.

하지만 종종 정확도는 RTU 설계의 최우선 목표입니다. 예를 들어 로봇이 협력 작업 셀의 가공을 지원하는 애플리케이션을 생각해 보겠습니다. 이 경우, 로봇의 속도와 작업 영역의 확장은 주변 프레임워크가 정확도를 견고하게 유지할 수 있을 때에만 유용합니다. 이러한 설계는 트랙 이동 중 0.02mm의 정확도와 0.2mm 정도의 위치 반복성을 요구하는 경우가 많습니다.

반대로, 적응형 제어를 시험해 보지만 절대 정밀도에 덜 의존하는 애플리케이션에 로봇 팔을 사용하는 경우, 다른 설정도 효과적일 수 있습니다. 예를 들어, 운송 컨테이너를 하역하는 데 로봇 팔이 장착된 이동식 차량이 사용될 수도 있습니다.

설계와 관계없이 모든 RTU 설정에는 유지 보수가 적고 수명이 길어야 합니다. RTU는 일반적으로 두 개 이상의 플랜트 기능과 여러 다른 기계류와 연관되기 때문입니다. 따라서 RTU 가동 중단으로 인해 다른 스테이션의 가동이 중단되는 경우가 많습니다.

통합 안전도 중요합니다. 많은 RTU가 공작 기계나 작업자와 같은 값비싼 장비가 있는 현장으로 로봇을 이동시키기 때문입니다. 특히 조립 인력이 있는 구역 주변에서 작업하는 경우에는 더욱 그렇습니다.

RTU용 벨트, 나사 및 공압 장치
중간 범위의 선형 거리를 이동하는 로봇 갠트리는 종종 벨트 드라이브와 결합된 모터를 사용합니다. 이는 전기 모터로 구동되는 풀리를 사용하여 벨트를 따라 장력을 생성하고 빠르게 가속하는 비교적 간단한 시스템입니다. 그러나 스트로크가 길어짐에 따라 시스템이 전체 길이에 걸쳐 장력을 유지하지 못하면 벨트가 처지는 문제가 발생할 수 있습니다. 분명히 말씀드리자면, 문제는 탑재량 제한이 아니라 벨트 컴플라이언스로 인한 동작 손실 위험입니다.

확장성 문제에는 예외가 있습니다. 일부 RTU에서는 공통 구동축에서 구동되는 벨트 축이 하모닉 크랭크를 구동합니다. 이 경우 벨트 구동은 적절한 조건에서 롱 스트로크 로봇 위치 결정의 정확도를 유지할 수 있습니다. 대부분의 성공적인 벨트 구동 RTU는 벨트 구동 설정의 정밀도를 높이기 위해 프레임과 선형 트랙을 상호 보완적인 방향으로 사용합니다. 벨트 구동 레일 액추에이터를 사용하는 일부 RTU는 1톤 로봇을 수십 피트 이상 이동시키는 동안에도 반복 정밀도를 ±0.001인치(약 0.1mm)까지 유지할 ​​수 있습니다. 이 경우 (적절한 레일 덕분에) 벨트 구동 액추에이터는 다른 RTU보다 저렴하고 유연한 RTU를 제공합니다.

일곱 번째 축에 대한 또 다른 옵션은 볼스크류 구동 축입니다. 이 구성은 벨트 드라이브에서 발생할 수 있는 진동과 스프링 현상을 해결합니다. 기본적으로 고정된 기계 요소가 정밀한 정지 및 위치 제어를 유지합니다.

볼스크류는 일반적으로 간헐 베어링 지지대를 사용하여 약 6m 길이의 설치에 적합합니다. 더 긴 축에서 주요 문제는 나사가 고속에서 휘어지는 현상인데, 특히 충분한 지지대가 없을 경우 더욱 그렇습니다. 이는 볼스크류 축이 자체 중량으로 휘어지기 때문입니다. 임계 속도(나사 축 직경, 직진도, 정렬, 그리고 지지되지 않은 길이의 함수)에서 운동은 축의 고유 진동수를 자극합니다. 따라서 볼스크류 길이가 길어질수록 최대 속도는 감소합니다.

일부 구성에서는 분리되었다가 함께 접힌 후 나사를 지지하여 더 오랫동안 휘핑 없이 확장되는 베어링 블록을 사용합니다. 그러나 매우 긴 볼스크류 구동 트랙의 경우, 제조업체는 여러 개의 나사를 결합해야 합니다(보통 용접 대신 접착제를 사용하여 형상 변형을 방지합니다). 그렇지 않으면 휘핑 문제를 해결하기 위해 나사의 직경이 더 커야 합니다. 이러한 볼스크류 기반 구성의 일부 스트로크는 최대 10미터에 달하고 최대 4,000rpm까지 회전합니다. 또 다른 주의 사항은 로봇 트랙의 나사는 먼지와 이물질로부터 보호되어야 한다는 것입니다. 그러나 로봇 트랙에서 볼스크류와 결합된 전기 모터를 사용하는 RTU는 벨트 구동 축보다 더 큰 하중을 처리합니다.

장행정(long-stoke) 셋업을 위한 유체 동력도 있습니다. 이러한 공압 RTU는 일반적으로 왕복 2정지 위치 결정만 필요한 어플리케이션에 적합한 저비용 솔루션입니다. 평균적으로 2m/초의 속도로 이동하며 다른 로봇 제어 장치와 통합됩니다.

정밀 RTU용 선형 모터
롱 스트로크 RTU(예: 실험실 로봇용)는 선형 모터 드라이브를 사용할 수 있습니다. 이러한 RTU 대부분은 최첨단 전자 장치, 절대 엔코더, 그리고 오류나 가동 중단 후에도 축 추적을 위한 모션 제어 기능을 갖추고 있습니다.

선형 모터의 일반적인 도달 거리는 약 4미터입니다. 이러한 도달 거리는 무거운 RTU 애플리케이션보다 픽앤플레이스 및 반도체 웨이퍼 핸들링에 더 적합합니다. 간단히 말해, RTU에서 선형 모터는 기계적 정확도는 뛰어나지만 무거운 페이로드를 지탱해야 하기 때문에 특히 까다롭습니다. 따라서 선형 모터의 성능을 높이는 데 필요한 값비싼 영구 자석이 더 많이 필요합니다.

예외도 있습니다. 세계 기록을 보유한 탠덤 선형 액추에이터를 탑재한 RTU 한 대가 최대 12m의 정밀 이동이 필요한 자동화 설비에 맞춰 시운전 및 맞춤 제작되었습니다. 견고한 알루미늄 지지 레일은 두 개의 6열 선형 재순환 볼 베어링 및 가이드웨이 어셈블리와 함께 작동합니다. 두 개의 슬롯형 동기식 선형 모터는 최대 4,200N의 힘을 출력합니다.

RTU용 랙 앤 피니언 세트
랙 앤 피니언 세트를 사용하는 상용 RTU가 가장 일반적입니다. 일반적인 길이는 15미터에 이릅니다. 선형 유닛 제어는 로봇 컨트롤러에 수학적으로 연결된 축으로 통합되어 있어 추가 컨트롤러가 필요하지 않습니다. 이러한 RTU 중 다수는 브러시리스 AC 서보 모터와 유성 기어박스를 접지된 나선형 랙 앤 피니언 세트와 결합하여 30미터 스트로크에서도 정확도를 유지합니다. 다른 구성에서는 블록 내 고강도 롤러 위의 단일 에지 레일 위를 이동하는 캐리지를 사용합니다. 이 경우 레일은 일반적으로 직사각형이며, 안쪽 가장자리에 랙이 가공되어 있습니다. 이러한 레일은 곡선 세그먼트와 결합될 수 있으며, 이는 유용한 레이아웃입니다.

이동 플랫폼에서 로봇을 움직이는 일부 RTU는 경화강으로 제작된 평평한 레일을 사용하고 이를 캠 팔로워 클러스터와 결합합니다. 다른 RTU는 헬리컬 베벨 감속기와 벨트를 갖춘 전기 모터를 사용하여 플랫폼에 동력을 공급합니다. 긴 셔틀 축에는 RTU의 전기 기어 모터가 장착되어 랙과 맞물리는 피니언을 구동합니다.

시뮬레이션 및 RTU 프로그래밍
엔지니어가 RTU 경로를 계획하고 로봇 기능과 조율할 수 있는 도구가 있습니다. 로봇 시뮬레이션 소프트웨어와 일부 모션 컨트롤러 모듈을 사용하면 엔지니어가 경로를 계획하고, 그 결과 소프트웨어를 컨트롤러에 로드한 후, 해당 하드웨어 하나로 로봇과 RTU를 제어할 수 있습니다.

또 다른 옵션은 API를 통해 거의 모든 브랜드의 로봇을 프로그래밍할 수 있는 로봇 개발 키트를 판매하는 전문 소프트웨어 회사의 소프트웨어입니다. 이러한 도구를 비롯한 수많은 소프트웨어 도구는 특히 모션 제어 또는 CNC 경험이 어느 정도 있는 팀에게 로봇 설치를 그 어느 때보다 쉽게 ​​만들어 줍니다. 초기 설계 반복은 일반적으로 오프라인 PC 프로그래밍을 통해 이루어집니다. 이후 로봇과 RTU를 설치하면 프로그래밍 소프트웨어가 제어 장치에 로드되는 코드를 생성합니다. 이 소프트웨어는 프로그래밍된 경로를 통해 RTU와 로봇을 구동하여 문제를 테스트합니다. 설치자는 펜던트를 사용하여 로봇의 그리퍼, 커터 또는 엔드 이펙터를 공간의 작업별 지점에 배치하고, 컨트롤러는 동작을 기록합니다. 또는 설치자는 펜던트를 사용하여 전체 설치 작업을 완료한 후 백엔드에서 궤적을 다듬을 수 있는데, 이는 점점 더 보편화되고 있는 방식입니다.

주의 사항: RTU는 로봇 교정을 복잡하게 만듭니다.
물리적 설정 후 RTU와 로봇은 보정이 필요합니다. 문제는 RTU와 연결된 산업용 로봇은 반복 가능하지만 정확하지 않은 동작을 하는 경우가 많아 시뮬레이션 근사값과 다른 출력 동작을 생성한다는 것입니다. 산업용 로봇의 평균 단방향 반복 정밀도는 0.1mm에서 0.01mm입니다. 일반적인 축은 백래시가 없는 기어헤드와 모터를 연결하고, 컨트롤러는 고해상도 엔코더로 이들을 모두 추적합니다. 출력 동작 정확도를 더 높이면 기어링과 같은 어셈블리 및 부품에서 손실된 동작(주로 기계적 컴플라이언스로 인해)이 발생하기 때문에 비용이 더 많이 듭니다. 따라서 제어 장치는 경우에 따라 밀리미터 단위의 위치 오차를 보정해야 하는 경우가 많습니다.

기존의 로봇 교정은 값비싼 레이저 정렬을 사용합니다. 때로는 이를 통해 출력 오차를 20배까지 줄일 수 있습니다. 그렇지 않은 경우, 로봇 제조업체는 공장 교정 서비스를 제공합니다. 전문 로봇 교정 회사 또한 RTU 추가가 로봇의 전체 정밀도에 미치는 영향을 고려한 서비스를 제공합니다. 그 외에도, 듀얼 카메라 센서를 사용하면 광학 장치와 특수 조명을 통해 프로빙 검사 및 동적 측정이 가능합니다. 기계식 교정 모드도 옵션이지만, 긴 트랙의 로봇에는 적용하기 어렵습니다.