진동을 억제하면 안정화 시간이 크게 단축됩니다.

고속 피킹 및 배치 작업에서 안정화 시간은 생산성의 적입니다. 대량 조립에는 속도가 필수적이지만, 속도는 또한 문제점을 야기하기도 합니다.

예를 들어, 픽앤플레이스 작업에서 좌우로 빠르게 움직이고 급정거할 때 진동이 발생합니다. 정확하게 부품을 집거나 놓으려면 기계는 진동이 멈출 때까지 아주 짧은 시간이라도 멈춰야 합니다. 이를 안정화 시간이라고 하며, 대량 생산 작업에서는 이러한 몇 밀리초의 시간이 누적될 수 있습니다.

가로 200mm, 세로 100mm, 그리고 다시 제자리로 돌아오는 짧은 픽앤플레이스 작업을 생각해 보겠습니다. 수평 이동에는 0.5초가 걸리고 안정화 시간은 0.05초입니다. 수직 이동에는 0.2초가 걸리고 안정화 시간은 0.05초입니다. 이는 부품 하나당 1.6초, 분당 37.5개, 시간당 2,250개의 부품을 처리할 수 있다는 것을 의미합니다. 각 부품의 가격이 0.1달러라면, 이 작업은 시간당 225달러의 수익을 창출합니다.

정착 시간을 0.05초에서 0.004초로 줄이면 동일한 픽앤플레이스 작업에 소요되는 시간이 1.416초로 단축됩니다. 이는 분당 42.37개, 시간당 2,542개의 부품을 처리할 수 있다는 의미입니다. 이제 동일한 작업으로 시간당 254.24달러의 수익을 창출할 수 있으며, 이는 기존보다 29.24달러 더 높은 금액입니다. 주 6일, 2교대로 가동되는 생산 시설에서 정착 시간을 단 0.184초만 절약해도 연간 140,353달러의 추가 수익을 올릴 수 있습니다!

자동화 엔지니어는 진동 및 기계 공진 문제를 여러 가지 방법으로 해결할 수 있습니다. 기계적인 측면에서는 견고한 부품, 엄격한 공차 및 최소한의 백래시를 갖춘 기계를 설계할 수 있습니다.

일반적으로 모터는 부하에 최대한 가깝고 단단하게 연결되어야 합니다. 시스템의 기계적 변형을 최소화해야 하기 때문입니다. 모터 축과 부하 사이에 있는 커플링이나 기어박스와 같은 움직이는 부품은 모두 변형을 유발합니다. 이러한 모든 부품은 열, 마찰, 마모에 취약합니다.

엔지니어는 서보 구동 시스템의 증폭기를 통해 전자적으로 문제를 해결할 수도 있습니다.

필터는 그러한 방법 중 하나입니다. 저역 통과 필터는 1,000Hz에서 5,000Hz 사이의 진동을 감쇠시키고, 노치 필터는 500Hz에서 1,000Hz 사이의 진동을 제어합니다.

필터의 문제점은 대역폭에 제한을 둔다는 것입니다. 이는 시스템을 얼마나 정밀하게 조정할 수 있는지에 제약을 가합니다.

이 문제를 해결하는 또 다른 방법은 진동 억제입니다. 야스카와의 시그마-5 서보 증폭기는 바로 이러한 진동 억제를 위한 독자적인 알고리즘을 탑재하고 있습니다. 이 알고리즘은 대역폭 손실 없이 50Hz 이하의 진동을 억제할 수 있습니다.

핵심은 서보 모터에 연결된 20비트 고해상도 엔코더입니다. 모터 샤프트 회전당 100만 회 이상의 카운트를 제공하는 이 엔코더는 벨트나 볼스크류를 통해 전달되는 미세한 진동까지 감지할 수 있습니다.

이 알고리즘은 엔코더에서 속도 및 토크 신호를 받아 동작에 맞게 명령 신호를 조정합니다. 예를 들어, 규칙적인 사다리꼴 궤적을 따라 움직이도록 명령한다고 가정해 보겠습니다. 가속하고, 특정 속도로 주행한 다음 정지하는 것입니다. 증폭기는 명령된 동작을 최대한 정확하게 따라갑니다. 하지만 움직이는 동안 다양한 진동이 모터를 경로에서 벗어나게 하려고 할 것입니다. 진동 억제 알고리즘은 이러한 진동의 파형을 파악하고 명령 신호를 반대 방향으로 조정하여 진동을 효과적으로 상쇄합니다.

진동을 억제하면 안정화 시간이 크게 단축되어 처리량이 증가합니다. 또한 엔지니어는 더 작고 가벼운 메커니즘을 설계할 수 있어 기계의 전체 비용을 절감할 수 있습니다.

진동이 줄어들면 기계의 마모도 줄어듭니다. 기계가 더욱 부드럽고 조용하게 작동하여 궁극적으로 수명이 연장됩니다.