로봇 공학 및 자동화의 선형 모듈

로봇은 작업 범위 내에서 매우 유연하지만 많은 자동화 시스템에는 해당 범위를 넘어서는 동작이 필요합니다. 로봇은 생산 라인을 따라 수 미터를 이동해야 하고, 픽 앤 플레이스 셀은 조정된 XYZ 이동이 필요할 수 있으며, AGV 도킹 스테이션은 고정 장치나 엔드 이펙터를 배치하기 위해 소형 선형 축이 필요할 수 있습니다.

이곳은로봇 공학의 선형 모듈중요해진다. 로봇 이동 축 역할을 할 수 있으며,직교 로봇메인 로봇의 도달 범위와 유연성을 확장하는 구조물, 갠트리 축, 팔레타이징 축 또는 보조 위치 지정 장치.

이 가이드에서는 로봇 자동화에 선형 모듈이 사용되는 방법, 각 애플리케이션이 모션 시스템에 요구하는 사항, 엔지니어가 모듈을 선택하기 전에 속도, 페이로드, 강성, 동기화, 안전 및 통합을 평가하는 방법을 설명합니다.

로봇에 선형 축이 필요한 이유

6축 로봇은 뛰어난 각도 자유도를 제공하지만 팔 형상에 따라 도달 범위가 제한됩니다. 선형 축을 추가하면 전체 로봇이나 엔드 이펙터가 더 넓은 작업 영역을 통해 이동할 수 있습니다.

추가하는 일반적인 이유선형 모듈포함하다:

• 기계 또는 생산 라인을 따라 로봇 범위 확장
• 하나의 로봇으로 여러 스테이션에 서비스 제공
• 여러 고정 로봇의 필요성 감소
• 장거리 픽 앤 플레이스 모션 생성
• 데카르트 또는 갠트리 로봇 구조 구축
• 로봇 팔과 독립적으로 엔드 이펙터 이동
• 위치 고정 장치, 트레이, 센서 또는 도구

시스템 수준 규칙:로봇 선형 축의 크기는 공작물뿐만 아니라 전체 이동 시스템에서 결정되어야 합니다. 로봇 질량, 툴링, 케이블, 고정 장치 및 가속도가 모두 부하에 영향을 줍니다.

로봇 7번째 축: 작업 범위 확장

로봇 7번째 축은 레일이나 모듈을 따라 로봇 베이스를 운반하는 선형 이동 축입니다. 이를 통해 하나의 로봇이 여러 기계, 팔레트 또는 작업 영역에 접근할 수 있습니다.

일반적인 적용 분야는 다음과 같습니다.

• 머신 텐딩
• 용접 셀
• 대형 부품 조립
• 자재 취급
• 점검
• 다중 스테이션 로딩 및 언로딩

로봇 질량이 기계 설계를 바꾸는 이유

선형 축은 로봇 그리퍼의 페이로드뿐만 아니라 전체 로봇을 운반해야 합니다. 상대적으로 적당한 페이로드를 가진 로봇은 여전히 ​​큰 기본 질량을 가질 수 있으며 팔이 움직이는 동안 상당한 동적 모멘트를 생성할 수 있습니다.

따라서 선형 축은 다음 사항을 확인해야 합니다.

• 총 로봇 및 툴링 질량
• 무게 중심 위치
• 역동적인 전복의 순간
• 레일 축의 가속도
• 비상 정지 부하
• 베이스 및 프레임 강성

장거리 여행이 선호하는 드라이브를 변화시킵니다

매우 긴 로봇 이동 축은 랙 앤 피니언 또는 기타 확장 가능한 긴 스트로크 전송을 선호하는 경우가 많습니다. 나사 기반 시스템은 길이가 증가함에 따라 임계 속도 및 지원 요구 사항으로 인해 점점 더 제한되기 때문입니다.

더 짧고 정밀도가 높은 로봇 이동 축의 경우 볼 스크류 또는 기타 소형 선형 모듈 구조가 여전히 적합할 수 있습니다.

픽 앤 플레이스 셀: 사이클 시간이 최대 속도보다 빠릅니다.

픽 앤 플레이스 자동화는 선형 모듈의 가장 일반적인 애플리케이션 중 하나입니다. 시스템은 단일 축, XY 테이블, XZ 배열 또는 전체 XYZ 데카르트 구조를 사용할 수 있습니다.

이러한 시스템은 일반적으로 다음을 중요하게 생각합니다.

• 높은 가속도
• 짧은 이동 시간
• 반복 가능한 정지 위치
• 낮은 이동 질량
• 빠른 방향 반전
• 안정적인 엔드 이펙터 모션

최고 속도보다 가속이 더 중요한 이유

스트로크가 짧으면 축이 오랫동안 최대 속도로 유지되지 않을 수 있습니다. 이 경우 가속과 감속이 사이클 시간을 지배합니다.

카탈로그 최대 속도는 높지만 동적 동작이 좋지 않은 모듈은 더 효율적으로 가속, 안정 및 반전하는 약간 느린 축보다 성능이 좋지 않을 수 있습니다.

엔드 이펙터 질량이 포함되어야 합니다.

이동 하중에는 그리퍼, 진공 툴링, 센서, 케이블 및 피킹된 제품이 포함됩니다. 그리퍼가 캐리지에서 멀리 장착되면 결과적인 모멘트 하중이 탑재량 자체보다 더 중요해질 수 있습니다.

XYZ 데카르트 로봇 및 갠트리 시스템

선형 모듈은 각 축이 하나의 선형 방향으로 동작을 제어하는 ​​데카르트 로봇 구조로 결합될 수 있습니다.

일반적인 구성은 다음과 같습니다.

• XY 포지셔닝 테이블
• XZ 픽 앤 플레이스 장치
• XYZ 데카르트 로봇
• Dual-X 갠트리 시스템
• 장경간 팔레타이징 갠트리

하부 축은 상부 축을 가집니다.

XYZ 시스템에서 X축은 Y축, Z축, 모터, 엔드 이펙터, 케이블 및 공작물을 함께 이동해야 할 수도 있습니다.

이로 인해 계층적 크기 조정 문제가 발생합니다.

도구 바깥쪽 크기입니다.Z축은 공구를 운반하고, Y축은 Z와 공구를 운반하며, X축은 전체 YZ 어셈블리를 운반할 수 있습니다.

대들보 강성이 중요합니다.

갠트리 시스템에서 두 지지대 사이의 빔은 가속 중에 Y 또는 Z 캐리지의 무게로 인해 편향될 수 있습니다. 이는 위치 지정, 진동 및 정착 시간에 영향을 미칩니다.

따라서 넓은 갠트리는 단순히 알루미늄 빔으로 연결된 두 개의 강력한 선형 모듈이 아닌 구조 시스템으로 평가되어야 합니다.

듀얼 드라이브 갠트리에는 동기화가 필요함

대형 갠트리는 두 개의 평행 구동 X축을 사용할 수 있습니다. 이는 부하 분산을 개선하고 넓은 크로스빔을 지원하지만 동기화 요구 사항이 발생합니다.

양측이 함께 움직이지 않으면 브리지가 흔들리거나 비틀릴 수 있습니다.

동기화는 기계적 또는 전자적일 수 있습니다.

기계적 동기화는 공통 샤프트 또는 변속기를 사용하여 양쪽을 연결할 수 있습니다. 전자 동기화는 두 개의 모터를 사용하고 제어 시스템을 통해 위치를 조정합니다.

전자식 듀얼 드라이브 시스템에는 다음 사항을 신중하게 고려해야 합니다.

• 원점 복귀 전략
• 양측의 위치 일치
• 인코더 피드백
• 서보 튜닝
• 프레임 강성
• 비상 정지 동작

이중 구동 갠트리는 잘못된 기계적 정렬을 보상하기 위해 제어 동기화에 의존해서는 안 됩니다.

팔레타이징: 도달 범위, 탑재량 및 반복

팔레타이징 자동화에는 긴 이동 거리, 큰 작업 범위, 보통 또는 무거운 탑재량의 반복적인 이동이 필요한 경우가 많습니다.

선형 모듈을 사용하여 다음을 수행할 수 있습니다.

• 여러 팔레트 위치를 따라 로봇 확장
• 데카르트 팔레타이징 시스템 생성
• 레이어 처리 도구 이동
• 빈 팔레트 또는 간지 배치
• 하나의 로봇으로 여러 컨베이어에 서비스 제공

듀티 사이클 문제

팔레타이징 시스템은 수천 번의 반복 주기로 여러 시간 동안 작동할 수 있습니다. 모듈은 최대 페이로드뿐만 아니라 베어링 수명, 드라이브 마모, 윤활, 모터 열 부하 및 케이블 캐리어 수명을 점검해야 합니다.

큰 페이로드는 모멘트 하중을 생성합니다.

상자, 트레이 또는 그리퍼는 상당한 돌출 하중을 생성할 수 있습니다. 넓은 툴링은 총 질량이 모듈의 공칭 페이로드 정격 내에 있는 경우에도 피치 및 요 모멘트를 생성할 수 있습니다.

로봇 엔드 이펙터 모션을 위한 선형 모듈

모든 선형 축이 로봇 베이스를 움직일 필요는 없습니다. 컴팩트 모듈을 로봇 위 또는 근처에 장착하여 엔드 이펙터에 제어된 선형 자유도를 추가할 수 있습니다.

예는 다음과 같습니다:

• 조절 가능한 그리퍼 간격
• 도구 확장
• 선형 압착 또는 삽입
• 카메라 또는 센서 조정
• 부품 중심 메커니즘
• 가변 피치 핸들링 시스템

엔드 이펙터 축을 밝게 유지

로봇 손목에 추가되는 모든 킬로그램은 사용 가능한 페이로드 마진을 줄이고 관성을 증가시킵니다. 따라서 작고 가벼운 선형 모듈은 팔 끝 모션에 특히 유용합니다.

모터 질량, 케이블 및 브래킷은 로봇의 허용 손목 하중 및 모멘트 계산에 포함되어야 합니다.

AGV 및 AMR 통합: 모바일 인터페이스의 선형 모션

AGV와 AMR은 스테이션 간에 부품을 운반하는 경우가 많지만, 모바일 플랫폼에는 하중을 전달, 정렬 또는 제시하기 위해 여전히 선형 위치 지정 메커니즘이 필요할 수 있습니다.

가능한 용도는 다음과 같습니다:

• 트레이를 기계로 확장
• 도킹 위치 조정
• 고정물 들어올리기 또는 이동하기
• 토트 또는 팔레트 운반
• 위치 센서 또는 커넥터

모바일 시스템은 새로운 제약을 도입합니다.

AGV 통합 축은 제한된 온보드 전력, 이동 중 진동, 컴팩트한 설치 공간 및 반복되는 도킹 허용 오차를 처리해야 하는 경우가 많습니다.

선형 모듈은 다음 사항에 대해 평가되어야 합니다.

• 낮은 전력 소비
• 필요한 경우 기계적 잠금 또는 고정
• 운송 진동에 대한 저항
• 컴팩트한 모터 배열
• 안정적인 홈 및 한계 감지
• 도킹 스테이션과의 안전한 상호 작용

로봇 선형 축 구동 유형

로봇 축용 드라이브를 선택하는 방법

다음과 같은 경우에는 볼스크류를 선택하십시오.

축은 상대적으로 컴팩트한 이동, 높은 강성, 제어된 추력 및 우수한 포지셔닝 성능이 필요합니다.

타이밍 벨트를 선택하는 경우

축은 적당한 정밀도 요구 사항과 함께 더 긴 이동 거리, 고속 및 신속한 픽 앤 플레이스 이동이 필요합니다.

다음과 같은 경우 랙 앤 피니언을 선택하십시오.

로봇은 수 미터를 이동해야 하며 그렇지 않으면 축 길이가 실제 나사 한계를 넘어 확장되어야 합니다.

다음과 같은 경우에는 리니어 모터를 선택하십시오.

이 애플리케이션에는 매우 높은 가속도, 빠른 후진, 낮은 변속기 백래시 및 높은 동적 위치 결정 성능이 필요합니다.

이는 고정된 규칙이 아니라 엔지니어링의 출발점입니다. 최종 선택은 하중, 스트로크, 속도, 정확도, 환경 및 비용에 따라 달라집니다.

서보 모터는 일반적이지만 항상 필수는 아닙니다.

고주기 로봇 축은 폐쇄 루프 위치 제어, 강력한 동적 성능 및 조정 모션 시스템과의 쉬운 통합을 제공하기 때문에 서보 모터를 사용하는 경우가 많습니다.

서보 시스템은 다음과 같은 경우에 특히 유용합니다.

• 축이 빠르게 가속됩니다.
• 로봇과 선형 축이 동시에 움직입니다.
• 위치를 지속적으로 모니터링해야 합니다.
• 이중 축 동기화가 필요합니다
• 기계는 조정된 보간법을 사용합니다.

스테퍼 또는 폐쇄 루프 스테퍼 모터는 속도와 동적 요구가 더 낮은 간단한 인덱싱 또는 조정 축에 여전히 적합할 수 있습니다.

로봇과 선형 축 제어는 조화를 이루어야 합니다.

로봇 이동 축은 자동화 아키텍처에 따라 여러 가지 방법으로 제어할 수 있습니다.

축은 다음과 같습니다.

• 로봇 컨트롤러에 외부 축으로 통합됨
• PLC에 의해 제어되거나모션 컨트롤러
• 독립적인 포지셔닝 축으로 작동
• 다른 축과 전자적으로 동기화됨

통합 외부축 제어

로봇 컨트롤러가 선형 모듈을 추가 조정 축으로 처리하는 경우 로봇 경로 계획에 기본 이동이 포함될 수 있습니다. 이는 로봇과 레일이 함께 움직여야 하는 용접, 처리 및 응용 분야에 유용합니다.

독립적인 포지셔닝

머신 텐딩이나 팔레트 이송을 위해 레일은 고정된 스테이션으로 이동하고 정지한 다음 로봇이 작업을 수행하도록 허용할 수 있습니다. 이 경우에는 더 간단한 시퀀싱으로도 충분할 수 있습니다.

정확도 요구 사항은 로봇 작업에 따라 다릅니다.

모든 로봇 축에 동일한 정밀도가 필요한 것은 아닙니다.

많은 로봇 이동 축의 경우 시운전 중에 스테이션 좌표를 학습할 수 있으므로 절대 정확도가 반복성보다 덜 중요할 수 있습니다. 검사 또는 프로세스 경로 제어와 같은 다른 애플리케이션에는 더 엄격한 절대 성능이 필요할 수 있습니다.

구조적 강성은 로봇 정확도에 영향을 미칩니다

선형 모듈은 프레임, 레일 베이스 또는 로봇 받침대가 편향되기 때문에 로봇 도구가 계속 움직이는 동안 캐리지의 위치를 ​​정확하게 지정할 수 있습니다.

중요한 구조적 요소는 다음과 같습니다.

• 베이스 평탄도
• 레일 지지 간격
• 로봇 받침대 강성
• 대들보 편향
• 툴링 오버행
• 바닥 또는 기계 프레임 강성

로봇 정확도는 시스템 속성입니다.도구 중심 위치는 선형 축, 로봇 구조, 장착 프레임 및 엔드 이펙터에 따라 달라집니다.

케이블 및 유틸리티는 숨겨진 부하가 될 수 있습니다

로봇 레일과 갠트리는 전원 케이블, 엔코더 케이블, 공압 라인, 진공관 및 통신 케이블을 장거리 운반하는 경우가 많습니다.

케이블 캐리어는 다음을 소개할 수 있습니다.

• 가변 항력
• 추가 이동 질량
• 측면 하중
• 진동
• 최소 굽힘 반경 제약

따라서 케이블 시스템은 모터 크기 조정 및 기계 레이아웃 중에 포함되어야 하며 축을 선택한 후에 추가되는 액세서리로 취급되어서는 안 됩니다.

대형 이동 로봇의 안전 요구 사항 변경

선형 축을 추가하면 로봇의 작업 범위가 증가하고 새로운 위험이 발생할 수 있습니다. 움직이는 레일, 로봇 베이스 및 툴링은 고정 로봇이 접근할 수 없는 영역에 들어갈 수 있습니다.

기계 설계에서는 다음 사항을 고려해야 합니다.

• 여행 제한
• 기계식 엔드 스톱
• 안전한 원점 복귀
• 비상 정지 거리
• 보호 및 접근 제어
• 안전한 속도 및 위치 모니터링
• 수직축 고정

선형 모듈 자체는 전체 기계 안전 설계의 한 부분일 뿐입니다.

고주기 자동화의 신뢰성 문제

로봇 셀은 반복적인 주기로 여러 교대로 작동하는 경우가 많습니다. 시운전 중에 제대로 작동하는 선형 모듈은 장기간 생산 기간 동안 정확성과 부드러움을 유지해야 합니다.

장기적인 신뢰성은 다음에 달려 있습니다.

• 올바른 하중 및 모멘트 크기
• 적절한 가속
• 매끄럽게 하기
• 벨트 또는 랙 유지 관리
• 가이드 정렬
• 케이블 캐리어 상태
• 환경오염
• 예방검사

실용적인 로봇 선형 축 선택 프로세스

1. 로봇 작업을 정의합니다.로봇 레일, 픽 앤 플레이스, 갠트리, 팔레타이징, AGV 인터페이스 또는 엔드 이펙터 모션?
2. 전체 이동 질량을 계산합니다.로봇, 툴링, 상부 축 및 케이블을 포함합니다.
3. 스트로크와 작업 범위를 정의합니다.
4. 사이클 시간, 속도 및 가속도를 설정합니다.
5. 페이로드와 모멘트 하중을 계산합니다.
6. 드라이브 유형을 선택합니다.
7. 모터 토크, 속도 및 관성을 점검하십시오.
8. 반복성 및 정확도 요구 사항을 정의합니다.
9. 구조적 강성과 지지력을 확인하십시오.
10. 케이블 및 유틸리티 라우팅을 계획합니다.
11. 제어 아키텍처를 선택합니다.
12. 안전 및 비상 정지 동작을 검토합니다.
13. 유지 관리 액세스 및 예상 듀티 사이클을 확인합니다.

QRXQ가 로봇공학 애플리케이션에 필요한 것

유용한 선형 모듈 권장 사항을 보려면 다음을 제공하십시오.

• 로봇 또는 자동화 유형
• 필요한 스트로크
• 총 이동 질량
• 무게 중심 위치
• 최대 속도 및 가속도
• 목표 사이클 시간
• 필요한 반복성 또는 위치 정확도
• 수평, 수직 또는 갠트리 배열
• 단일 축 또는 다축 구성
• 모터 및 제어 기본 설정
• 케이블 및 유틸리티 요구 사항
• 근무환경
• 일일 운영 시간

로봇 자동화의 경우 가장 좋은 선형 모듈은 단순히 페이로드나 속도가 가장 높은 모듈이 아니라 작업에 맞는 모듈입니다.도달 거리, 동적 하중, 강성, 동기화, 제어 및 서비스 수명을 모두 함께 고려해야 합니다.

QRXQ는 전체 모션 요구 사항에서 로봇 선형 축 및 데카르트 자동화 시스템을 평가하여 볼 스크류, 타이밍 벨트, 랙 앤 피니언 또는 직접 구동 구조를 실제 로봇 작업에 일치시키는 데 도움을 줍니다.