산업자동화에 꼭 필요한 정밀 모션 제어 기술

May 15, 2023

자동화의 세계에는 높이, 너비, 깊이, 시간의 4차원이 존재합니다. 장비가 물체를 정확한 위치에 정밀하게 배치해야 할 때 모션 제어(위치, 속도 및 가속도 제어)가 필요합니다. 특수 애플리케이션용 물체 제작에는 대부분의 다른 분야들보다 높은 수준의 모션 제어 정밀도와 신뢰성이 요구됩니다.

디지털 정보가 정확한 물리적 동작으로 변환되면 과거에는 불가능했던 활용 사례들이 갑자기 가능해집니다. 이렇게 되면 첨단 로봇공학, 사물인터넷(IoT)과 산업용 사물인터넷(IIoT), 배터리 구동 의료 기기, 3D 프린팅 같은 적층 제조(additive manufacturing), 그리고 보철 등의 애플리케이션에 인더스트리 4.0 구현이 가능해집니다. 이들 각각의 애플리케이션은 제조 장비의 제어에 높은 정밀도가 요구됩니다. 그 결과, 이들 애플리케이션에서 디지털 정보를 물리적 동작으로 변환하고 정확하게 부품을 배치하는 데에는 데이터를 단순히 전송하는 것 이상의 작업이 필요합니다.

이번 포스팅에서는 정밀 모션 제어에 대해 알아보고, 의료 및 산업 자동화 애플리케이션 요구 사항을 살펴보는 한편, 각 영역에서 권장할 만한 고성능 트라이나믹(Trinamic) 제품들을 소개해 보겠습니다.

정밀 모션 제어

정밀 모션 제어는 스테퍼 모터를 사용하여 활성 기계 부품들의 위치를 --안내합니다. 개방 루프 시스템은 전기 제어 신호를 샤프트의 정확한 회전 위치로 변환하는 스테퍼 모터를 사용합니다. 보다 정밀성을 높이기 위해, 엔지니어는 체크 기능을 통합하여 샤프트의 위치를 --측정합니다. 이 측정 장치는 실제 측정값과 설정값을 대조해 보기 위해 실측 데이터를 컨트롤러로 다시 전송하여 편차를 수정하도록 합니다. 이 양방향 통신을 폐쇄 루프라고 합니다.

CNC 머시닝은 첨단 정밀 모션 제어의 이점을 가장 잘 나타낼 수 있는 애플리케이션 중 하나인데, 3D 프린팅 및 데스크톱 제조 역시 그에 못지않은 애플리케이션들입니다. 이 외에 정보를 컨트롤러에 피드백하는 검사 장비, 픽 앤 플레이스 기계, 자동화된 조립 라인 역시 고정밀 모션 제어의 이점을 누리는 부문들입니다.

정밀 모션 제어를 통해, 실험실은 보다 원활하게 운영되고 창고는 운영 효율이 더욱 향상됩니다. 뿐만 아니라 정밀 모션 제어는 비효율성으로 인한 다음과 같은 비용 증가 요인들을 개선합니다.

▶ 열 손실 및 전력 소비

▶ 공명

▶ 가청 잡음

▶ 센서 없는 진단

▶ 배터리 수명

트라이나믹 모션 컨트롤(Trinamic Motion Control) 아키텍처는 기능적 빌딩 블록들로 구성됩니다. 모터 컨트롤러(또는 모션 컨트롤러)는 정해진 프로토콜에서 선택된 인터페이스를 통해 명령을 수신합니다. 임무는 모터 제어 및 드라이버 부분에 대한 신호로 변환됩니다. 코드는 애플리케이션 펌웨어에 쉽게 통합할 수 있도록 Trinamic 포맷이나 C로 내보냅니다.

고정밀 애플리케이션

트라이나믹은 의료 및 산업 자동화의 성능 문제를 해결하는 제품을 개발했습니다.

의료

펌프 및 안과 기기와 같은 의료 기기는 저속으로 정밀 제어가 가능해야 합니다. 조직 분석에서부터 혈액 원심분리 및 액체 처리에 이르는 다양한 응용 분야에서 저속, 최소 진동 정밀도를 위한 솔루션을 필요로 합니다. 트라이나믹 기술은 과도한 진동 문제를 해결하기 위해 거의 완벽한 사인파의 전류 루프를 제공합니다. 부드러운 곡선은 공차를 방해하는 진동을 제한합니다. 모터에서 비효율적인 전류 변환은 부품들의 발열을 초래하여 시스템 오류나 자동 중단 동작을 불러옵니다. 또한 가속 프로필을 조정하면 시스템 운영자가 정밀도를 높이고 기계 부품들의 움직임을 부드럽게 할 수 있습니다.

다음은 각 의료 애플리케이션에 적합한 트라이나믹 솔루션입니다.

▶ 조직 분석: TMCM-3110 (센서리스 부하 종속 전류 제어를 위한 3축 스테퍼 모터 컨트롤러/드라이버 모듈) (그림 1)

▶ 혈액 원심분리: TMCM-1636(3상 BLDC 모터의 경우 1축)

▶ 액체 처리: TMCM-6110 (센서리스 부하 종속 전류 제어를 위한 6축)

그림 1: TMCM-3110은 센서리스 부하 종속 전류 제어를 위한 3축 스테퍼 모터 컨트롤러/드라이버 모듈입니다. (출처: 마우저일렉트로닉스)

의료 기기 자동화용 모션 제어의 핵심은 정밀하면서 저속에 매끄러운 작동을 보장하는 것입니다. 정교한 칩에서 스마트 모터에 이르기까지 다양한 솔루션을 제공하는 트라이나믹의 모션 제어 솔루션은 이 분야의 애플리케이션에 맞게 맞춤화가 가능하며 유연합니다.

산업

산업용 애플리케이션에서 제품 개발의 견인차는 생산성과 처리량입니다. 모션 제어가 향상함에 따라, 트라이나믹의 첨단 진단 및 상호연결된 드라이브는 지능형 공장을 구현할 수 있게 해줍니다. 이 기술은 시스템 설계자가 자신의 필요에 맞게 가장 효율적이고 맞춤화된 솔루션을 구축할 수 있는 빌딩 블록을 만들어 네트워크에 독립형 애플리케이션을 적용할 수 있을 만큼 충분히 강력합니다.

3D 프린팅, 로봇 공학, 그리고 공장 자동화는 정밀 자동화가 필요한 3대 애플리케이션입니다. 이 분야에 활용할 수 있는 트라이나믹의 제품은 다음과 같습니다.

▶ 3D 프린팅: TMC2209 (2상 스테퍼 모터용 초저소음 모터 드라이버 IC)

▶ 로봇 공학: TMC5160 (고출력 스테퍼 모터 컨트롤러)(그림 2)

▶ 공장 자동화: TMC262 (통합 스테퍼 모터)

그림 2: TMC5160은 표적의 위치를 자동으로 추적하기 위한 유연한 램프 생성기와, 업계에서 가장 발전한 스테퍼 모터 드라이버를 조합하고 있습니다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)

이들 제품은 산업용 애플리케이션의 중요한 과제들을 해결합니다. 3D 프린팅은 소음이 매우 커서 작업장 주변의 활동에 방해가 됩니다. TMC2209는 사인파를 부드럽게 하고 더 높은 치수 정확도로 정숙한 부품 제조를 가능케 합니다. TMC5160 역시 부드러우면서, 고정밀 로봇 부품을 빠르게 생산합니다. 이는 통합성이 높고 확장이 가능해 운영 효율을 극대화함으로써 에너지나 시간 낭비 없이 처리량을 높여줍니다. TMC262는 실험실 및 공장 자동화 애플리케이션에 이상적인 40mA의 게이트 전류로 구동할 수 있습니다.

정밀 제어는 의료 분야와 산업 자동화라는 두 가지 중요한 거시 산업을 변화시켰습니다. 정밀 모션 제어는 두 가지 모두를 가능하게 합니다. 진동 성능, 에너지 효율, 소음, 그리고, 원활한 동작성을 향상시키고 자동 동작의 허용 오차를 크게 줄여 정밀도를 높입니다.

산업 자동화는 인더스트리 4.0을 촉진하여 스마트 제조 기술의 시장 도입에 기여합니다. 정밀 모션 제어를 추가하면 3D 프린팅, CNC 머시닝, 픽 앤 플레이스 머신, 검사, 품질, 테스트 장비, 자동화된 조립 라인 및 컨베이어, 협동 로봇을 사용할 수 있습니다. 자동 유도 차량(AGV)과 자율 이동 로봇(AMR)은 생산성을 향상하고 생산 속도를 높여 적시 제품 흐름 상태에 근접하도록 공급망과 운영을 지원합니다.