[논문]무선 갠트리 로더 시스템 개발

강동배; 안중환; 손성민

doi:10.5762/kais.2011.12.10.4296

무선 갠트리 로더 시스템 개발
Development of Wireless Gantry Loader System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.10, 2011년, pp.4296 - 4301

강동배 (부산대학교 기계공학부) , 안중환 (부산대학교 기계공학부) , 손성민 (울산과학대학 디지털 기계학부)

초록
AI-Helper

갠트리 로더(Gantry loader)는 생산설비 자동화의 물류이송에서 중요한 역할을 하고 있다. 최근 물류 반송거리가 확대되면서 이동반(Carrier)과 제어반(Controller)의 유선연결로 갠트리 운동의 장해, 주기적 유지보수로 인한 시간 지연 등이 문제점으로 대두되고 있다. 본 연구에서는 이동반과 제어반의 연결을 무선화 하여 생산효율을 향상시키고자 갠트리 로더의 기구부를 트롤리 바(Trolley Bar)를 사용하여 개선하고 무선통신 시스템과 모션 제어기 및 제어 프로그램을 제작하여 무선 갠트리 로더 시스템을 개발하였으며 유선 갠트리 시스템과의 비교 평가를 통해 정밀도와 안정성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Gantry loader which is also called as gantry robot is a kind of cartesian coordinate robot with two or more linear motions. A conventional gantry system has cableveyor for protecting power and signal cables, but the use of cableveyor makes a delay of work due to frequent repairing for its aging. This study reports that a wireless gantry loader is able to be operated without a power line for power transmission or a signal cable for motion control. The wireless gantry loader enables a convenient maintenance and a stable productivity by the reduction of wire broken from fatigue. The developed loader system is controlled by PC-based motion controller and is communicated by wireless LAN devices. The line from a power source to the loader system was substituted by attaching trolley bar on the traveling beam. The loader system was designed to be moved with high speed and high repeatability, and the motion was observed continuously by monitoring system in the PC-based controller. The maximum speed and the repeatability for the transferring and loading axes are 200 m/min, 60 mm and 100 m/min, 40 mm respectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 고속(3 m/sec), 장거리 이송용 갠트리 로더에서 신호와 동력을 전달하는 케이블이 제거되어 보전이 편리하고 생산성이 안정화 될 수 있는 무선 방식의 시스템 개발에 관한 내용을 보고한다.

제안 방법

PMAC 모션보드와 무선 통신을 수행하고, 무선 통신을 통해 모션지령 등의 정보를 변환, 표시할 수 있는 무선 위치 제어 프로그램을 개발하였다. 메인화면에는 갠트리 로더 위치정보 표시, 각 축의 조그 구동 및 비상 버튼 등이 있으며, PMAC 보드로의 지령 다운로드와 응답표시창, 모션 프로그램을 편집할 수 있는 편집창 등으로 구성되었다.
그림 5는 무선 갠트리 로더 시스템의 무선통신에 사용된 장비를 나타낸다. TCP/IP 프로토콜을 사용하는 액세스 포인트(AP: Access Point)와 이더넷 컨버터(Wireless Ethernet Converter)를 이용하여 무선 통신 장치를 구성하였다. 액세스 포인트는 PC 컨트롤러에서 나오는 신호를 무선 신호로 변환하는 역할을 하고 이더넷 컨버터는 모션 제어기에서 나오는 신호를 무선 신호로 변환하는 역할을 한다.
Wireless LAN을 기반으로 산업현장내 근거리 무선통신이 가능한 시스템 및 PC 기반 모션제어기를 탑재하고 동력전달 케이블이 제거된 무선 갠트리 로더 시스템을 개발하였다. 개발된 갠트리 로더는 높은 정밀도를 유지하며 고속이송이 가능하도록 설계되었으며 소프트웨어 제어기에 의해 지속적으로 상태감시가 되어 안정성이 확보되었다.
한편, 랙-피니언 구조에 더블 피니언을 설치하고 예압을 걸어줌으로써 구동계의 강성이 높아져 컨트롤러의 지령에 대해 민첩하게 반응할 수 있도록 하고 백래쉬를 줄일 수 있도록 하였다. 가이드 레일(Guide Rail)은 그림 3에 보이는 것과 같이 리니어 모션 가이드와 롤러 가이드가 복합적으로 사용되어 강성과 정밀도를 유지할 수 있도록 하였다.
갠트리 로더 제어 시스템의 무선화를 위하여 IrDA, Home RF, Bluetooth, Wireless LAN 등 주요 근거리 무선 통신에 대한 인터페이스 방식을 조사하여 표 1과 같이 정리하여 비교하였다. 이를 토대로 경제성, 안정성 ,속도, 작업환경에 대한 적합성 등을 감안하여 무선 갠트리 시스템에 적용될 방식으로 Bluetooth와 Wireless LAN을 선정하여 비교^․평가하였다[1-8].
통신 및 위치제어 프로그램의 역할은 모션 제어기와의 통신 상태, 모션 제어기의 상태 표시 및 갠트리 로더에 탑재된 제어반의 입출력 등을 감시한다. 또한 PLC 등의 주변장비와의 데이터 송수신 및 시작, 정지, 일시정지 등의 작업 스케줄링과 소프트웨어 MPG를 수행한다.
제어 및 무선통신이 결합된 갠트리 로더를 제작하여 특성을 평가하였다. 먼저 무선제어의 성능을 평가하기 위하여 유선으로 갠트리 로더의 서보모터를 제어했을 때와 비교하였다. 그림 8은 유선 및 무선제어를 통한 모터의 스텝응답을 표시한 것으로 모터의 응답속도, 오버슈트, 정착시간, 정상상태오차와 같은 모터 성능 평가에서 유^․무선이 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
이는 본 무선 갠트리 로더 시스템에 사용되는 PMAC 모션보드와 무선 통신을 원활하게 할 수 있는 20 ms의 시간지연을 초과하는 것이다. 이로 인하여 모션보드와 통신에 장애가 발생하였기 때문에 시간지연 문제를 해결할 수 있고 고속대응이 가능한 TCP/IP 프로토콜을 채택하였다. Wireless LAN은 기존 유선 기반 망에 연결하여 사용할 수 있고 다양한 형태의 공간에서 활용이 가능하며 레이아웃 변경에 따라 새로 네트워크를 구성할 필요가 없다는 장점 또한 갖고 있다.
갠트리 로더 제어 시스템의 무선화를 위하여 IrDA, Home RF, Bluetooth, Wireless LAN 등 주요 근거리 무선 통신에 대한 인터페이스 방식을 조사하여 표 1과 같이 정리하여 비교하였다. 이를 토대로 경제성, 안정성 ,속도, 작업환경에 대한 적합성 등을 감안하여 무선 갠트리 시스템에 적용될 방식으로 Bluetooth와 Wireless LAN을 선정하여 비교^․평가하였다[1-8].
제어 및 무선통신이 결합된 갠트리 로더를 제작하여 특성을 평가하였다. 먼저 무선제어의 성능을 평가하기 위하여 유선으로 갠트리 로더의 서보모터를 제어했을 때와 비교하였다.
트롤리 바는 수명이 반영구적이며 설치시공이 간편하고 주행부의 곡선운동에도 적용할 수 있다. 트롤리 바를 통해 전달되는 전력은 XY 평면상의 운동 만드는 두 서보모터의 용량과 컨트롤러를 포함한 기타 전기장치의 소요전력을 감안하여 허용전류가 60 A가 되도록 하였다.
부하가 크고 스트로크가 긴 X축에는 모듈이 4, 허용모멘트가 165 Nm이상인 랙과 피니언이 사용되었고 Y축에는 모듈이 2, 허용모멘트가 65 Nm이상인 것이 적용되었다. 한편, 랙-피니언 구조에 더블 피니언을 설치하고 예압을 걸어줌으로써 구동계의 강성이 높아져 컨트롤러의 지령에 대해 민첩하게 반응할 수 있도록 하고 백래쉬를 줄일 수 있도록 하였다. 가이드 레일(Guide Rail)은 그림 3에 보이는 것과 같이 리니어 모션 가이드와 롤러 가이드가 복합적으로 사용되어 강성과 정밀도를 유지할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

모션 제어기는 40 Mhz의 처리 속도를 가지는 PMAC 모션 보드를 활용하였으며 그림 6과 같이 설치되었다. PMAC 모션보드는 DSP를 활용하여 4축의 모터를 동시 제어할 수 있으며, 모션에 비동기적인 PLC 구동이 가능하고 16개의 병렬 입출력 단자를 기본으로 보유하고 있다.

이론/모형

X, Y 두 개의 서보모터로부터 동력을 전달하는 장치는 무선 갠트리 로더의 고속 이송능력을 최대한 살리기 위하여 랙-피니언(Rack-Pinion) 구조를 선택하였는데 정밀도와 소음을 고려하여 헬리컬 타입이 적용되었다. 부하가 크고 스트로크가 긴 X축에는 모듈이 4, 허용모멘트가 165 Nm이상인 랙과 피니언이 사용되었고 Y축에는 모듈이 2, 허용모멘트가 65 Nm이상인 것이 적용되었다.
무선 갠트리 로더 시스템의 정밀도 평가를 위해 ISO-203-2 규정에 따라, 레이저 간섭계 (HP-5529A)를 이용하여 위치정도 및 반복정밀도를 측정하였다. 그림 10은 이송축(X 축)과 상·하축(Y 축)에 대한 위치정도와 반복정밀도를 나타낸다.

성능/효과

Wireless LAN을 기반으로 산업현장내 근거리 무선통신이 가능한 시스템 및 PC 기반 모션제어기를 탑재하고 동력전달 케이블이 제거된 무선 갠트리 로더 시스템을 개발하였다. 개발된 갠트리 로더는 높은 정밀도를 유지하며 고속이송이 가능하도록 설계되었으며 소프트웨어 제어기에 의해 지속적으로 상태감시가 되어 안정성이 확보되었다. 무선 갠트리 로더는 이송축 최대속도 200 m/min, 반복정밀도 60 ㎛로 측정되었고 상하축 100 m/min, 반복정밀도 40 ㎛의 성능을 가진다.
4 mm 정도로 개발 목표치에는 크게 미치지 못하는 값이다. 이 오차를 줄이기 위하여 무선 제어기에 소프트웨어 보정기능을 추가하여 위치결정 정밀도가 약 70 ㎛, 반복정밀도가 약 60 ㎛로 향상되었다. 갠트리 로더의 상·하축 역시 소프트웨어 보상에 의해 위치결정 정밀도는 50 ㎛, 반복정밀도는 40 ㎛로 측정되었다.
그림 10은 이송축(X 축)과 상·하축(Y 축)에 대한 위치정도와 반복정밀도를 나타낸다. 이송축의 반복정밀도는 약 107 ㎛로 백래쉬 보정장치에 의해 일반적인 랙-피니언 구조가 갖는 반복정밀도보다는 우수하나 위치정밀도는 약 0.4 mm 정도로 개발 목표치에는 크게 미치지 못하는 값이다. 이 오차를 줄이기 위하여 무선 제어기에 소프트웨어 보정기능을 추가하여 위치결정 정밀도가 약 70 ㎛, 반복정밀도가 약 60 ㎛로 향상되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	갠트리 로더란?	갠트리 로더(Gantry loader)는 갠트리 로봇으로도 불리는데 서로 직교하는 2축 이상의 각 축이 모두 직선운동을 하는 직교 좌표형 로봇(Cartesian Robot)이다. 갠트리 로더는 구조상 높은 강성을 갖고 있고, 또한 한 축을 따라 직선운동을 하기 때문에 작업영역이 넓고 비교적 제어가 용이하다는 장점이 있어 픽-앤-플레이스(Pick and Place) 작업에 적합해 생산설비 자동화의 물류이송에서 중요한 역할을 하고 있다.
	본 연구에서 개발한 무선 갠트리 로더 시스템의 특징과 성능은?	Wireless LAN을 기반으로 산업현장내 근거리 무선통신이 가능한 시스템 및 PC 기반 모션제어기를 탑재하고 동력전달 케이블이 제거된 무선 갠트리 로더 시스템을 개발하였다. 개발된 갠트리 로더는 높은 정밀도를 유지하며 고속이송이 가능하도록 설계되었으며 소프트웨어 제어기에 의해 지속적으로 상태감시가 되어 안정성이 확보되었다. 무선 갠트리 로더는 이송축 최대속도 200 m/min, 반복정밀도 60 ㎛로 측정되었고 상하축 100 m/min, 반복정밀도 40 ㎛의 성능을 가진다.
	갠트리 로더의 장점은?	갠트리 로더(Gantry loader)는 갠트리 로봇으로도 불리는데 서로 직교하는 2축 이상의 각 축이 모두 직선운동을 하는 직교 좌표형 로봇(Cartesian Robot)이다. 갠트리 로더는 구조상 높은 강성을 갖고 있고, 또한 한 축을 따라 직선운동을 하기 때문에 작업영역이 넓고 비교적 제어가 용이하다는 장점이 있어 픽-앤-플레이스(Pick and Place) 작업에 적합해 생산설비 자동화의 물류이송에서 중요한 역할을 하고 있다. 특히, 자동차 및 관련부품 생산 공장에 빠르게 확산 보급되어 이송가능 중량이 5 ㎏이하의 작은 것에서부터 30 kg까지, 5 m전후의 단거리에서부터 30 ～40 m의 장거리까지 폭넓게 사용되고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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