하나의 기계에서 여러 축을 제어하는 것은 상당한 복잡성을 야기합니다. 동기화 문제, 추가 프로그래밍 작업, 그리고 까다로운 문제 해결에 직면하게 됩니다. 이러한 어려움은 핵심 프로세스 개선에 투자해야 할 시간을 빼앗아 갑니다. 다축 모션 제어 솔루션 시장은 이러한 광범위한 수요를 보여줍니다. 2024년에는 5.3억 달러 규모에 이를 것으로 예상되며, 로봇 및 CNC 애플리케이션이 전체 수요의 29%를 차지합니다 . 이러한 애플리케이션은 정밀한 타이밍과 최소한의 지터(jitter)를 요구합니다. 다축 모션 제어 시스템과 서보 드라이브는 이러한 요구에 대한 직접적인 해결책을 제시합니다. 중앙 집중식 제어와 공유 리소스를 통해 제어를 간소화하고 프로그래밍 작업을 줄이며 시스템 신뢰성을 향상시킵니다. 궁극적인 목표는 복잡한 작업을 단순하고 효율적인 프로세스로 바꾸는 것입니다.
주요 요점
다축 컨트롤러는 전원 공급 장치를 공유하고 하나의 중앙 제어 시스템을 사용하므로 하드웨어 비용이 절감되고 캐비닛 공간을 절약할 수 있습니다.
전자식 기어와 가상 캠은 기계 부품을 제거하여 프로파일 변경이 빠르고 마모가 줄어듭니다.
미리 만들어진 기능 블록을 제공하는 최신 프로그래밍 도구를 사용하면 개발 시간을 절약하고 복잡한 코딩 없이도 동작을 조정할 수 있습니다.
자동화된 튜닝 및 진단 기능은 수많은 수작업 시간을 절약하고 시스템 성능을 향상시키며 문제 해결 속도를 높여줍니다.
다축 모션 제어의 복잡성
동기화 및 타이밍 문제
다축 모션 제어 시스템의 핵심은 축 간의 정확한 타이밍입니다. 각 서보 드라이브는 정확히 필요한 순간에 움직여야 합니다. 단 몇 마이크로초의 지연이라도 최종 제품에 눈에 띄는 결함을 초래할 수 있습니다. 로봇 용접이나 CNC 가공과 같이 공구 경로의 완벽한 조화가 요구되는 작업에서 이러한 현상을 명확히 확인할 수 있습니다.
EtherCAT 네트워크는 이러한 타이밍 문제를 해결하지만, 자체적인 복잡성을 야기합니다. 마스터는 단일 프레임을 전송하고 , 이 프레임은 각 슬레이브 장치를 통과합니다. 모든 슬레이브는 데이터를 읽고 피드백을 삽입한 후 프레임을 다음 슬레이브로 전달합니다. 이 과정이 지속적으로 반복되어 결정론적 동작이 가능해집니다. 성능은 매우 뛰어난데, 약 100개의 축을 처리하는 데 125마이크로초가 소요됩니다. 하지만 네트워크 토폴로지를 신중하게 구성해야 합니다. 라인, 버스, 스타 또는 링 구성은 각각 동기화에 다른 영향을 미칩니다. 엔지니어는 특정 애플리케이션에 적합한 토폴로지를 선택해야 합니다.
동기화 문제는 마모된 커플링, 제어 매개변수의 변동 또는 네트워크 통신 지연으로 인해 점진적으로 발생합니다. 이더넷 기반 시스템은 일관된 신호 타이밍과 최소한의 지연 시간을 요구합니다. 케이블 품질, 네트워크 토폴로지 및 전자기 간섭은 모두 동기화에 영향을 미칩니다.
프로그래밍 및 디버깅 오버헤드
다축 모션 시퀀스를 작성하는 것은 상당한 노력이 필요합니다. 여러 드라이브에 걸쳐 선형 보간, 스플라인 곡선 및 전자 기어링을 조율해야 합니다. 각 축에는 고유한 모션 프로파일이 필요하지만, 모든 프로파일은 완벽하게 연동되어야 합니다. 축이 추가될 때마다 프로그래밍의 복잡성은 증가합니다 .
디버깅은 난이도를 한층 더 높입니다. 일반적인 어려움은 다음과 같습니다.
동기화 문제 : 프레임 속도 일관성을 통해 모든 축에서 조화로운 움직임을 보장합니다.
신호 무결성 문제 : 고스트 입력은 접지 문제 또는 신호 노이즈를 나타내는 경우가 많습니다.
타이밍 및 지연 시간 : 클럭 속도는 실행 정밀도에 영향을 미치므로 신중한 지연 시간 테스트가 필요합니다.
안전 및 고장 처리 : 비상 정지 로직은 동작 신호를 즉시 차단해야 합니다.
많은 자동화 엔지니어에게 가장 큰 어려움은 하드웨어가 아니라 모션 제어 로직을 작성하고 디버깅하는 것입니다. 기계 요구 사항이 더욱 정교해질수록 프로그래밍 또한 더욱 복잡해지는 경우가 많습니다.
초기 네트워크 설정만 해도 상당한 작업이 필요합니다. 모든 슬레이브를 감지하고, 주소를 할당하고 , 통신 매개변수를 구성하고, 동기화를 설정해야 합니다. 오류 처리를 위해서는 지속적인 모니터링이 필요하며, 안전 프로토콜은 또 다른 구성 계층을 추가합니다. 이러한 작업들은 다른 우선순위에 투입될 수 있는 귀중한 엔지니어링 시간을 소모합니다.
다축 컨트롤러가 모션 제어를 단순화하는 방법
중앙 집중식 제어 아키텍처와 분산형 제어 아키텍처 비교
다축 시스템을 설계할 때 중앙 집중식 제어와 분산식 제어라는 두 가지 주요 선택 사항이 있습니다 . 각 옵션은 서로 다른 기계 요구 사항에 적합하며, 올바른 옵션을 선택하면 시간과 노력을 절약할 수 있습니다.
중앙 집중식 제어는 모든 모션 로직을 하나의 내장 컨트롤러에 통합합니다. 이러한 구성은 정밀한 동기화와 정확한 조정 동작에 매우 효과적입니다. 모든 축이 동일한 클록과 통신 버스를 공유하므로 드라이브 간의 타이밍 차이가 사라집니다. 전자 캠밍이나 복잡한 보간과 같이 마이크로초 수준의 정밀한 조정이 필요한 작업에서 중앙 집중식 제어는 필요한 결정성을 제공합니다. 컨트롤러가 모든 축을 직접 제어하므로 여러 프로세서를 조정하는 번거로움을 줄일 수 있습니다.
분산 제어는 기계 전체에 지능을 분산시킵니다. 각 드라이브는 자체 제어 로직을 가지며, 드라이브들은 서로 직접 통신합니다. 이러한 구성은 다축 또는 모듈식 서브시스템을 갖춘 대형 기계에 적합합니다. 중앙 처리 장치에 과부하를 주지 않고 축을 추가할 수 있으므로 확장성이 뛰어납니다. 모터 근처에 드라이브를 배치하면 전원 배선 길이가 짧아져 케이블링 복잡성이 줄어듭니다. 모듈식 기계 설계를 통해 서브시스템을 독립적으로 통합할 수 있습니다. 한 축의 고장이 다른 축에 영향을 미치는 경우가 드물기 때문에 고장 격리가 더 쉽습니다.
시스템 요구 사항 | 선호하는 아키텍처 |
|---|---|
여러 축을 가진 대형 기계 | 분산 제어 |
모듈형 하위 시스템 | 분산 제어 |
모터 주변 배선 간소화 | 분산 제어 |
정밀한 다축 동기화 | 임베디드 제어 |
정밀한 협동 동작 | 임베디드 제어 |
분산 아키텍처는 확장성과 케이블 수를 최소화하는 것이 가장 중요한 대형 장비나 모듈형 시스템에서 흔히 볼 수 있습니다. 여러 축으로 확장될 수 있는 장비는 분산 구성의 이점을 누릴 수 있습니다.
어떤 것을 중요하게 생각하느냐에 따라 선택이 달라집니다. 최고의 동기화가 필요하다면 중앙 집중식 제어를 선택하십시오. 유연성과 확장성이 필요하다면 분산 제어를 선택하십시오. 많은 최신 시스템은 두 가지 방식을 혼합하여 네트워크 상에서 분산 드라이브를 사용하면서 핵심 축에 대한 중앙 집중식 조정을 유지합니다.
전원 공급 장치를 공유하는 통합 서보 드라이브
통합형 다축 서보 드라이브 시스템은 여러 드라이브 모듈을 하나의 패키지로 통합하고 공통 전원을 사용합니다. 이러한 설계는 개별 단축 드라이브에 비해 하드웨어 구성을 간소화합니다.
비용 절감 효과는 즉시 나타납니다. 공용 DC 전원 공급 장치를 사용하면 각 드라이브에 AC-DC 정류 회로가 필요 없어집니다. 축을 추가할 때마다 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 공용 전원 공급 장치는 과전류 보호 장치, 라인 필터, 라인 초크 및 동적 제동 저항기의 수를 줄여줍니다. 부품 수가 줄어들면 축당 비용이 낮아지고 제어 캐비닛 공간도 절약됩니다. 하나의 주 AC 전원 공급 장치가 여러 축에 전원을 공급하므로 캐비닛 공간을 더욱 효율적으로 활용할 수 있습니다.
혜택 카테고리 | 다축 방식이 단축 방식보다 유리한 점 |
|---|---|
비용 | 각 드라이브에 AC-DC 정류부가 없고 DC 전원을 공유하므로 축당 비용이 절감됩니다. |
우주 산업 | 하나의 주 AC 전원 공급 장치가 여러 축에 전원을 공급하므로 제어 캐비닛 패널 공간이 덜 필요합니다. |
구성 요소 | 과전류 보호 장치, 라인 필터, 라인 초크 및 동적 제동 저항기의 필요성이 줄어듭니다. |
전력 공유 | 단일 축 시스템과는 달리, 축은 추가 배선이나 퓨즈 없이 다른 축에서 사용된 전력을 재생할 수 있습니다. |
노동 | 배선 및 설치 작업이 줄어들어 장치 수가 감소하므로 인건비가 절감됩니다. |
전력 공유는 효율성을 크게 향상시킵니다. 한 축의 속도가 느려지면 에너지를 회생합니다. 다축 시스템에서는 이 에너지가 필요한 다른 축으로 바로 전달됩니다. 공유 DC 버스가 에너지 전송을 자동으로 처리하기 때문에 추가 배선이나 퓨즈가 필요하지 않습니다. 이러한 회생 제동 기능은 에너지 사용량을 줄이고 지속 가능한 제조를 지원합니다.
통합 시스템을 사용하면 축 간 통신도 향상됩니다. EtherCAT은 통신 장치 간 정확한 동기화에 필수적인 결정론적 사이클 시간을 제공합니다. 하드웨어 I/O 및 펄스 트레인 출력은 제한적인 조정 기능만 제공합니다. ASCII 및 Modbus는 중간 정도의 기능을 제공합니다. Modbus TCP/IP 및 EtherNet/IP는 등록 및 다축 조정에 필요한 속도가 부족합니다. EtherCAT은 필요한 결정론적 타이밍을 제공하기 때문에 다축 모션 제어에 여전히 가장 적합한 선택입니다.
그 결과, 더욱 간편하고 효율적인 시스템이 구현됩니다. 배선, 구성 및 문제 해결에 소요되는 시간이 줄어들고, 장비가 차지하는 공간과 에너지 소비량도 감소합니다. 다축 모션 제어는 복잡하고 어려운 작업이 아닌, 손쉽게 관리할 수 있는 작업이 됩니다.
간소화된 다축 좌표 설정을 위한 주요 기능
고급 동기화 및 전자식 기어 장치
전자식 기어는 다축 모션 제어를 간소화하는 데 가장 효과적인 도구 중 하나입니다. 외부 위치 데이터 스트림(일반적으로 직교 엔코더 신호)을 모든 동작의 주요 기준으로 사용합니다. 구동 모터 출력 카운트와 입력 엔코더 카운트의 비율을 설정할 수 있으며, 여러 축이 동시에 서로 다른 비율로 작동할 수 있습니다. 기어비가 부드럽게 변할수록 시작과 정지가 더욱 부드러워집니다.
인쇄기를 생각해 보세요 . 용지 공급 축은 인쇄 드럼 축을 일정한 비율로 따라갑니다. 서보 드라이브는 드럼의 위치에 따라 움직임을 지속적으로 조정하여 속도와 위치를 정확하게 유지합니다. 전자식 기어는 다른 방식으로는 제대로 처리하기 어려운 복잡한 동작 패턴을 처리합니다.
가상 캠은 이러한 아이디어를 더욱 발전시킨 것입니다. 기계식 캠은 신제품에 맞춰 변경하기가 어렵습니다. 가상 캠은 이러한 문제를 해결합니다.
하드웨어를 건드리지 않고도 카메라 프로필을 빠르게 변경하세요.
모든 축을 하나의 마스터 축에 연결하므로 별도의 속도 프로파일이 필요하지 않습니다.
마모가 적으면 수리 횟수도 줄어듭니다.
도 또는 밀리미터와 같은 다양한 단위를 사용하여 작업하십시오.
더 자세한 CAM 데이터 포인트를 사용하면 성능이 향상됩니다.
제품 크기가 변경될 때 기계식 캠을 교체할 필요가 없습니다. 캠 프로파일은 디지털 방식으로 저장됩니다 . I/O, 네트워크 명령 또는 모션 프로그램 조건을 사용하여 다양한 프로파일을 선택할 수 있습니다.
분산 지능(Distributed Intelligence)은 외부 컨트롤러의 필요성을 없애줍니다. 각 드라이브는 자체 프로그램을 실행하고, 데이터를 공유하며, I/O를 직접 사용합니다. 이를 통해 중앙 제어 계층이 필요 없어지므로 OEM 장비가 더욱 단순해지고 비용이 절감됩니다.
표준 프로토콜에는 동기화 도구가 내장되어 있습니다.
EtherCAT(분산 클록) 또는 CANopen(SYNC 메시지)은 사용자 정의 조정 코드 없이 실시간 동기화를 제공합니다.
마스터-슬레이브 구성 : 마스터는 정기적으로 동기화 메시지를 전송하고, 슬레이브는 이에 맞춰 클럭을 조정하여 수동 조정 없이 마이크로초 단위의 오차로 동기화 상태를 유지합니다.
주기적 동기 모드 : 공통 시간 기준을 사용하는 CSP, CSV 및 CST 모드는 정밀한 경로 추적, 속도 변경 및 토크 제어를 가능하게 합니다.
사용자 친화적인 프로그래밍 환경
최신 프로그래밍 도구 덕분에 학습이 훨씬 쉬워졌습니다. ACSPL+ 언어는 최대 128개의 축을 지원하고 , 10kHz의 속도로 실행되며, 64개의 버퍼를 사용하여 멀티태스킹을 지원합니다. 객체 지향 방식과 스크립팅 방식을 결합하여 사용할 수 있습니다. C 언어로 사용자 정의 함수를 작성하고 대수 함수를 사용하여 운동학을 구현할 수 있습니다. 컨트롤러 시뮬레이터는 동작, 입출력, 이벤트 및 로직을 완벽하게 모방합니다. 호스트 통합은 C/C++, .NET, Python, MATLAB, Linux 및 MacOS 라이브러리와 호환됩니다.
시각적 도구를 사용하면 메뉴에서 드래그 앤 드롭으로 요소를 추가할 수 있습니다 . 텍스트 기반 언어로는 Visual Basic, C, C++ 등이 있습니다. Moog의 CODESYS 3 기반 MASS와 같은 IEC 61131-3 IDE는 프로그래밍, 테스트, 디버깅, 시각화 도구와 미리 만들어진 함수 블록을 제공합니다.
사전 구축된 기능 블록은 프로그래밍 작업량을 크게 줄여줍니다. FMCP 패키지에는 사전 배선, 테스트 및 인증된 부품이 포함되어 있어 바로 사용할 수 있습니다. 사전 구축된 갠트리 설정(1D, 2D, 3D, T, H)은 다양한 컨트롤러 브랜드와 호환되는 표준 기능 블록을 사용합니다. 단일 핸들링 기능 블록은 별도의 설정 없이 부드러운 동작과 필드버스 통합을 통해 다축 제어를 제공합니다.
파이프 기반 로봇 프로젝트 에서 다축 모션 제어 솔루션은 통합을 용이하게 했습니다. 사용자 친화적인 IDE에는 위치 지정, 속도 제어 및 동기화를 위한 모션 기능이 내장되어 있었습니다. 소프트웨어 개발 키트(SDK)와 모션 라이브러리를 통해 개발팀은 전문적인 코딩 기술 없이도 맞춤형 동작을 구현할 수 있었습니다.
모션 제어 기능이 내장된 최신 서보 드라이브 별도의 독립형 컨트롤러가 필요 없습니다. 통합 구성으로 추가 부품과 복잡한 배선을 줄일 수 있습니다. 내장된 이더넷 프로토콜 지원으로 하드웨어 배선을 대체합니다. 고급 컨트롤러는 공정 제어 작업을 처리합니다. 예전에는 필요했던 것 PLC하나의 컨트롤러가 동작과 기계 논리를 모두 관리합니다.
다축 시스템 구현을 위한 모범 사례
시스템 모델링 및 시뮬레이션
하드웨어를 설치하기 전에 시스템을 모델링하십시오. 이 단계를 통해 비용이 많이 드는 실수를 방지하고 엔지니어링 시간을 절약할 수 있습니다. 하드웨어 설정부터 시작하십시오. 단위, 기계적 변환 계수 및 이동 제한을 설정하십시오. 컨트롤러의 소프트 리미트는 안전 영역을 벗어난 움직임을 차단합니다. 적절한 리미트는 충돌을 방지합니다. 충돌은 장비 손상을 초래하고 안전 위험을 발생시킵니다.
베가(Vega) 스테이지 사례 연구는 모델링의 유용성을 보여줍니다. 엔지니어들은 스테이지 전체 어셈블리에 대해 유한 요소 해석(FEA)을 수행했습니다. 또한 해머 충격 시험을 통해 얻은 베어링 강성 모델을 추가하여 현실적인 개루프 전달 함수를 도출했습니다. 이 함수를 사용하여 피드백 제어 루프를 모델링하고 스테이지의 안정화 시간을 예측했습니다. 웨이퍼 검사 주기를 기반으로 전체 동작 프로파일을 시뮬레이션하여 최대 처리량을 확인하고 개선했습니다. 그 결과, 목표 대역폭을 훨씬 상회하는 첫 번째 관측 가능한 고유 모드를 찾아냈고, 이는 동작 성능을 직접적으로 향상시켰습니다.
좌표계 원점과 호밍 루틴도 설정해야 합니다. 시작 시 호밍 루틴을 실행하세요. 이 루틴은 각 축을 알려진 위치로 이동시킵니다. 홈 센서나 하드 스톱이 이 위치를 표시합니다. 모델링을 통해 실제 코드를 작성하기 전에 이러한 루틴을 검증할 수 있습니다. 다양한 경우를 테스트하여 오류를 조기에 발견할 수 있습니다.
자동 튜닝 및 진단
다축 시스템의 수동 튜닝은 몇 시간씩 소요될 뿐 아니라 결과도 고르지 못합니다. 자동 튜닝 도구는 이러한 문제를 해결합니다. 모든 축의 관성, 마찰, 부하 조건을 점검하여 시스템 전체에 걸쳐 안정적인 모터 응답을 제공합니다. 또한, 작동 중 기계적 진동을 줄이기 위해 자동으로 파라미터를 조정합니다. 채터링과 불안정성도 감소합니다. 이는 특히 정밀 절삭 작업에서 매우 유용합니다.
고급 진단 기능은 문제 해결 시간을 단축시켜 줍니다. AP-MARS 시스템은 회로 탐색 분석(CIA)을 사용합니다. 이 알고리즘 세트는 노드 그룹을 찾고 각 네트의 신호 경로를 검사합니다. 자동화된 방식은 잘못된 프로빙으로 인한 인적 오류를 제거하고 핀당 물리적 접촉 횟수를 줄여줍니다. 프로빙 단계는 80% 이상 감소합니다 . 빠른 오류 발견은 가동 중지 시간을 줄여 엔지니어링 시간을 더욱 효율적으로 활용할 수 있도록 해줍니다.
이러한 도구들을 적절한 모션 프로그래밍과 결합하십시오. 점대점 이동, 절대 위치 지정 및 상대 위치 지정 명령을 사용하십시오. 속도가 낮을수록 정확도가 높아지고, 속도가 높을수록 사이클 시간이 단축됩니다. 다축 모션 제어에서는 선형 및 원형 보간법을 사용하십시오. 잘 조정된 모션은 순차적인 축 이동에 비해 사이클 시간을 30~50% 단축하고 경로 정확도를 향상시킵니다. 이러한 방법들은 모든 다축 모션 제어 시스템의 핵심을 이룹니다.
다축 컨트롤러는 어려운 문제를 간단한 작업으로 바꿔줍니다. 복잡한 네트워크 설정 없이 모든 축에서 정확한 타이밍을 구현할 수 있습니다. 전원 공급 장치를 공유하여 하드웨어 비용을 절감하고 캐비닛 공간을 적게 차지합니다. 최신 프로그래밍 도구를 통해 개발 시간을 크게 단축할 수 있습니다. 자동 튜닝 및 진단 기능을 통해 문제 해결 시간을 몇 시간에서 몇 분으로 대폭 줄일 수 있습니다.
이제 선택의 폭이 넓어졌습니다. Moog MSD나 B&R의 ACOPOS 제품군과 같은 통합 서보 드라이브 시스템을 살펴보십시오. 장비에 필요한 사항에 대해 애플리케이션 엔지니어와 상담하십시오. 엔지니어가 최적의 구성 방안을 제시해 드릴 수 있습니다. 지금 바로 모션 제어를 간소화해 보세요.
FAQ
중앙 집중식 제어와 분산식 제어의 차이점은 무엇입니까?
중앙 집중식 제어는 모든 모션 로직을 하나의 내장 컨트롤러에 집중시켜 정밀한 작업에 필요한 높은 동기화를 제공합니다. 분산 제어는 로직을 드라이브 전체에 분산시켜 각 드라이브가 자체 로직을 실행하도록 합니다. 마이크로초 단위의 정밀한 조정이 필요하면 중앙 집중식 제어를, 대형 장비에서 확장성과 케이블 수량을 줄이려면 분산 제어를 선택하십시오.
전자식 기어는 다축 제어를 어떻게 단순화합니까?
전자식 기어 시스템은 일반적으로 직교 엔코더에서 나오는 하나의 위치 데이터 스트림을 주 기준점으로 사용합니다. 각 구동축에 대한 기어비를 설정할 수 있으며, 여러 축이 동시에 서로 다른 기어비로 작동할 수 있습니다. 부드러운 기어비 변경으로 출발과 정지가 더욱 부드러워집니다. 기계식 기어박스를 완전히 사용하지 않아도 됩니다.
다축 시스템에 EtherCAT이 선호되는 이유는 무엇입니까?
EtherCAT은 동기화에 필수적인 결정론적 타이밍을 제공합니다. 단일 프레임이 각 슬레이브 장치를 통과합니다. 모든 슬레이브는 데이터를 읽고 피드백을 삽입한 후 프레임을 다음 슬레이브로 전달합니다. 이 과정이 지속적으로 반복됩니다. 약 100개의 축이 125마이크로초(µsec) 내에 처리됩니다. Modbus TCP/IP와 같은 다른 프로토콜은 이러한 속도를 제공하지 못합니다.
별도의 제품이 필요한가요? PLC 다축 컨트롤러를 사용하는 건가요?
아니요. 모션 제어 기능이 내장된 최신 서보 드라이브는 별도의 컨트롤러가 필요하지 않습니다. 고성능 컨트롤러는 이전에는 별도의 컨트롤러가 필요했던 공정 제어 작업을 처리합니다. PLC하나의 컨트롤러가 동작과 기계 로직을 모두 관리합니다. 이러한 통합으로 불필요한 부품과 복잡한 배선을 줄일 수 있습니다.
자동화된 튜닝으로 얼마나 많은 시간을 절약할 수 있을까요?
다축 시스템의 수동 조정은 몇 시간이 걸리고 결과도 고르지 않습니다. 자동화 도구는 모든 축의 관성, 마찰 및 하중 조건을 점검하고 진동을 줄이기 위해 매개변수를 자동으로 조정합니다. 고급 진단 기능을 통해 프로빙 단계를 80% 이상 단축하고 문제 해결 시간을 몇 시간에서 몇 분으로 줄입니다.
