고속 픽앤플레이스 애플리케이션을 위한 포괄적인 자동화 설계는 모션 엔지니어가 직면한 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 로봇 시스템이 더욱 복잡해지고 생산 속도가 점점 더 빨라짐에 따라, 시스템 설계자는 최신 기술을 따라잡아야 하며, 그렇지 않으면 최적 설계에 미치지 못하는 결과를 초래할 위험이 있습니다. 사용 가능한 최신 기술과 구성 요소를 살펴보고, 이러한 기술과 구성 요소가 어떻게 활용되는지 자세히 살펴보겠습니다.

로봇 팔은 컴팩트한 디자인에 적합합니다.

산업용 로봇 팔은 일반적으로 발이 가벼운 것으로 알려져 있지 않습니다. 오히려 대부분의 로봇 팔은 무거운 엔드-오브-암 툴을 지탱해야 하는 견고한 구조를 가지고 있습니다. 견고한 설계의 장점에도 불구하고, 이러한 로봇 팔은 섬세한 작업에 사용하기에는 너무 무겁고 부피가 큽니다. 독일 쾰른에 있는 igus Inc.의 엔지니어들은 가벼운 작업에 더 적합한 민첩한 팔을 만들기 위해 작은 하중이 지브 주위로 회전할 수 있도록 하는 다축 조인트를 개발했습니다. 이 새로운 조인트는 필요에 따라 그립력을 조절할 수 있는 섬세한 픽앤플레이스 작업에 매우 적합합니다.

플라스틱과 케이블 제어 장치로 구성된 새로운 관절의 핵심 설계 요소는 유연성과 경량성입니다. 간단히 말해, 케이블은 FAULHABER의 소형 브러시리스 DC 서보모터를 통해 팔의 어깨 관절에서 이동되어 팔의 관성을 방지하고 역동적인 움직임을 용이하게 하며 설계 공간을 최소화합니다.

엔지니어들은 설계의 많은 부분을 사람의 팔꿈치 관절에 기반하여 회전과 회전이라는 두 가지 자유도를 하나의 관절로 결합했습니다. 사람의 팔과 마찬가지로 로봇 팔에서 가장 약한 부분은 뼈(로봇 팔의 몸통)나 근육(구동 모터)이 아니라, 힘을 전달하는 힘줄입니다. 여기서 고압 제어 케이블은 인장 강도가 3,000~4,000 N/mm²인 초고강도 UHMW-PE 폴리에틸렌 소재로 제작되었습니다. 픽앤플레이스 애플리케이션과 같은 기존 로봇 팔 기능 외에도, 이 관절은 특수 카메라 피팅, 센서 또는 경량 구조가 필요한 기타 도구에도 적합합니다. 모든 관절에는 고정밀을 위해 자기 각도 위치 센서가 내장되어 있습니다.

전자 정류 서보모터는 동적 사용에 적합한 낮은 이동 질량을 특징으로 합니다. 24Vdc 작동 전압은 모바일 애플리케이션에 필수적인 배터리 전원 공급을 위해 설계되었으며, 97mNm의 모터 토크는 직경에 맞는 유성 감속기를 암 작동에 필요한 값까지 향상시킵니다. 또한, 이 브러시리스 드라이브는 로터 베어링 외에 마모 부품이 없어 수만 시간의 수명을 보장합니다.

선형 모션 시스템으로 실험실 자동화 가속화

전통적인 포장 및 조립 작업 외에도, 픽앤플레이스는 고속 실험실 자동화 분야에서도 빠르게 확산되고 있습니다. 매일 수백만 개의 박테리아 샘플을 조작한다고 상상해 보면 오늘날 생명공학 실험실에서 어떤 작업을 해야 하는지 짐작할 수 있을 것입니다. 한 예로, 첨단 선형 모션 시스템을 통해 RoToR이라는 생명공학 실험실 로봇이 시간당 20만 개 이상의 샘플을 처리하는 기록적인 속도로 세포 배열을 고정할 수 있습니다. RoToR은 영국 서머싯에 위치한 Singer Instruments에서 개발되었으며, 유전학, 유전체학, 암 연구를 위한 벤치탑 자동화 시스템으로 사용됩니다. 이러한 로봇 중 하나는 종종 여러 실험실에 서비스를 제공하며, 과학자들은 박테리아와 효모 라이브러리의 복제, 결합, 재배열, 백업을 위해 짧은 시간 동안 작업합니다.

실시간 컨트롤러는 로봇의 지점 간 고정 동작을 조정하는 세 개의 모션 축과 샘플 처리 축을 제어하고, 로봇의 GUI와도 연동합니다. 또한, 컨트롤러는 모든 I/O 채널도 관리합니다.

Baldor는 컨트롤러 외에도 선형 서보모터와 드라이브, 그리고 3개의 통합 스테퍼 모터와 드라이브 모듈을 제공했습니다. 로봇은 기계 폭을 따라 움직이는 선형 서보모터 축을 따라 소스 플레이트에서 목적지 플레이트까지 지점 간 이송을 수행합니다. 이 축은 피닝 동작을 제어하는 ​​2축 스테퍼 모터 헤드를 지원합니다. 실제로, 결합된 XYZ 모션은 복잡한 나선형 모션을 사용하여 샘플을 교반할 수도 있습니다. 별도의 스테퍼 모터 축은 핀헤드의 로딩 메커니즘을 제어합니다. 공압 그리퍼와 회전기는 작업 시작 및 종료 시 핀헤드의 픽업 및 폐기와 같은 다른 기계 동작을 제어합니다.

Singer는 원래 주 횡축에 공압 드라이브를 사용하려고 했지만, 이 설계는 원하는 위치 결정 분해능이나 속도를 제공할 수 없었고 실험실 환경에는 소음이 너무 컸습니다. 바로 그때 엔지니어들은 선형 모터를 고려하기 시작했습니다. Baldor는 선형 트랙을 기계적으로 수정하여 길이 방향이 아닌 끝부분에서만 지지되도록 맞춤형 브러시리스 선형 서보모터를 제작했습니다. 즉, 모터의 포서는 Y축과 Z축을 지탱하는 X축 갠트리 역할을 합니다. 마지막으로, 선형 모터의 자석 설계는 코깅을 최소화하여 부드러운 동작을 가능하게 합니다.