[논문]시리얼 통신을 이용한 저속의 멀티 서보 프레스 시스템 개발에 관한 연구

유환신; 박형배

doi:10.12673/jant.2014.18.3.248

시리얼 통신을 이용한 저속의 멀티 서보 프레스 시스템 개발에 관한 연구
A Study on the Multi Servo Press System Development of Low Velocity Using Serial Communication 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.18 no.3 = no.66, 2014년, pp.248 - 252

유환신 (호원대학교 자동차기계공학과) , 박형배 (경기과학기술대학교 자동차과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 자동차 부품업체의 조립 공정에서 압입이나 볼트, 너트 체결에 주로 사용되는 프레스와 너트러너는 정밀도와 생산성 향상이 지속적으로 요구한다. 여러 대의 압입 시스템을 복합적으로 구성한 후 동기화를 통하여 일괄적인 제어를 수행하는 생산 시스템으로 시리얼 통신을 이용한 저속의 멀티 서보 프레스 시스템을 개발하였다. 그 결과로 정밀도와 생산성이 향상되었고 제품에 대한 품질향상을 이룰 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, press and nut runner used in press-fit or tightening the bolts and nuts at assembling process of automobile parts companies continually demand accuracy and improved productivity. Simultaneous control of production systems through synchronization configuring of the combination multi press-fit system developed multi servo press system using the low-speed serial communication. As a result, the accuracy and the productivity is improved and product quality improvement could be achieved.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 자동차 부품업체의 조립 공정에서 압입이나 볼트, 너트 체결에 주로 사용되는 프레스와 너트러너는 정밀도와 생산성 향상을 위하여 여러 대의 압입 시스템을 복합적으로 구성한 후 동기화를 통하여 일괄적인 제어를 수행하는 생산 시스템으로 시리얼 통신을 이용한 저속의 멀티 서보 프레스 시스템을 개발하였다. 지능형압입시스템은 이더넷 허브를 통해 링 방식의 다축 네크워크의 통합 서보 드라이버 제어기로 개발하였다.
이 경우 기존의 제어 방법으로는 압입 체결 시 시스템의 응답특성과 외부 반발력으로 인하여 오차가 생길 수밖에 없으며, 이러한 오차로 인해 목표 토크에 도달하여 모터를 정지하여도 오차 보상 루틴에 의하여 오버슈트가 발생해 목표 토크를 초과하게 된다. 본 연구에서는 목표 토크에 도달하였을 때 검출된 위치를 되먹임하여 위치제어기에 인가시킴으로써 목표한 토크를 계속 유지하는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 소재의 성형 특성과 스프링 백 현상 등을 지식 기반으로 하여 위치, 속도 제어가 자율적으로 최적화 피드백 제어될 수 있도록 멀티 서보모터 구동방식을 적용한 고토크·고동기화 초정밀 디지털 서보프레스 시스템을 개발하였다.

제안 방법

일반적인 서보 모터 제어기는 위치, 제어, 전류를 PID 방식으로 제어한다. 그러나 본 연구에서는 그림6과 같이 서보프레스나 너트러너의 경우에는 압입 토크를 검출하는 로드셀과 토크를 제어하기 위한 토크 제어기가 추가하여 구성하였다.
종래 기술은 급정지할 때 시스템 지연으로 인한 오버 슈트가 발생하기 때문에 종래에는 최종 압입 위치에 근접하면 속도를 떨어뜨림으로써 힘 혹은 토크 오차를 줄이는 방법이 적용 되었다. 그러나 힘 혹은 토크의 정밀도를 높이기 위한 속도저하는 생산성 저하시키고 에너지를 낭비시키는 문제 또한 있다고 판단되어 보강 설계하였다.
또한 그림 3과 같이 배선과 시퀀스 등을 효율적으로 설계하여 소형화 및 배선량 감소시키고, 1개 또는 2개의 프로세서를 구성하여 AC servo 모터 구동 및 속도 프로파일 생성, 로드셀 인터페이스, 시퀀스 동작, 상위 제어기와의 통신을 구현하였다. 그리고 ethernet interface 및 3 port hub를 통한 링 구조 네트워크 구성하였다.
실제 제어기는 master와 slave 기능을 동일 제어기에 구현하여 선택되도록 하여 Menu와 상태정보를 LCD 디스플레이에 표시한다. 그리고 실제 압입이나 체결 시 목표한 토크로 정확히 제어하여 오버슈트를 방지하고, 정상 상태 오차를 최소화 할 수 있는 알고리즘을 개발한다.
압입의 단계에 따라 위치 제어와 전류 제어를 교번하여 적용하는 방법을 개발하였다. 그림과 같이 접촉되기 전(파란색 영역)에서는 실제 힘과 목표 힘의 차이가 크기 때문에 전류 제어 모드를 적용하면 엄청난 속도로 구동되어 위험하므로 제어적으로 안전한 위치 제어 모드를 적용하였다. 이후 기구가 부품과 접촉하여 로드셀의 입력이 기준치 이상이 되면 전류 제어 모드로 전환하고 앞의 사다리꼴 힘 미분 프로파일을 적용한 전류 명령으로 정밀한 전류제어가 수행될 수 있도록 하였다.
또한 그림 3과 같이 배선과 시퀀스 등을 효율적으로 설계하여 소형화 및 배선량 감소시키고, 1개 또는 2개의 프로세서를 구성하여 AC servo 모터 구동 및 속도 프로파일 생성, 로드셀 인터페이스, 시퀀스 동작, 상위 제어기와의 통신을 구현하였다. 그리고 ethernet interface 및 3 port hub를 통한 링 구조 네트워크 구성하였다.
로봇 산업 분야에서 신호처리를 위한 효율적인 데이터 처리 속도를 위하여 400 W 급 인버터를 설계하였고, 사다리꼴 속도 프로파일 발생기 등 소프트웨어 처리를 사용하였다.
본 과제에서는 프레스를 연속적으로 계속 설정할 수 있도록 구성하였고, 예압, 본압, 역전 등의 일련의 과정을 사용자가 설정할 수 있도록 하였다.
품질의 정도를 높이기 위하여 압입을 1회로 끝내지 않고 2회 이상으로, 예압과 본압으로 구성하여 실험을 실시하였다. 본 논문에서는 프레스를 연속적으로 계속 설정할 수 있도록 구성 하였고, 예압, 본압, 역전 등의 일련의 과정을 사용자가 설정할 수 있도록 하였다.
본 실험은 고정도 토크 제어 알고리즘을 적용하여 위치제어 단계와 전류제어단계로 나누어 실험을 수행하였다. 실제 실험에 있어서 목표 토크에 도달될수록 힘 록은 토크 오차가 점점 작아지므로 속도도 점점 느려지는 효과가 자연스럽게 만들어진다.
개별 축으로 동작하는 경우와 다축 동기 제어 경우를 모두 만족시켜야 하며, 정밀도 향상, 신뢰성, 생산성 향상을 위해 최적화된 알고리즘을 개발하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 그림 8과 같이 개별 축으로 동작할 때의 프로그램 설정과 시퀀스 알고리즘을 구성하였다. 실제 사용자가 임의로 프로그래밍 할 수 있는 프로그램 수 100개, 각 프로그램당 100개의 아이템을 갖도록 목표하였다.
본 연구에서는 볼 스크류 방식을 이용하여 압입하는 형태의 메커니즘으로 구성하였으며, BLAC motor와 감속기로 작동기 부분을 구성하고, 센서를 위하여 엔코더와 로그셀을 이용하여 회전수와 압입력을 센싱하는 시스템으로 구성하였다.
본 연구에선 최종적으로 그림 9와 같이 압입 자동생산 알고리즘과 개별 사용자 프로그램을 개발하고, 여러 개의 축이 서로 동기 되어 작업이 가능하도록 개발하였다. 엔진 실린더 블록등의 경우 볼트를 체결하기 위해 각 볼트 조립 축이 서로 동기 되어 초기 위치로 이동하고, 작업을 동시에 시작하여 동시에 끝내야 한다.
실제 구현에서는 TI CCS5.2 환경 하에서 BIOS 라는 TI RTOS를 사용되었으며, 그림 10과 같이 현장 사용자의 간편한 제어와 연속적인 시스템 운용을 위하여 고속 모니터링 시스템을 구성하였다.
압입의 단계에 따라 위치 제어와 전류 제어를 교번하여 적용하는 방법을 개발하였다. 그림과 같이 접촉되기 전(파란색 영역)에서는 실제 힘과 목표 힘의 차이가 크기 때문에 전류 제어 모드를 적용하면 엄청난 속도로 구동되어 위험하므로 제어적으로 안전한 위치 제어 모드를 적용하였다.
이러한 문제를 해결하고자, 서보프레스 혹은 너트러너의 액츄에이터인 서보모터 제어할 때 위치 제어와 전류 제어를 교번하여 적용하고, 특히 위치 제어에 사다리꼴 속도 프로파일을 적용하듯이 힘과 토크제어에도 사다리꼴의 힘미분 프로파일을 적용하여, 보다 정밀한 힘 혹은 토크 제어가 되도록 하는 제어 알고리즘 고안하도록 하였다. 즉 다음그림과 같이 위치, 속도, 가속도의 일반 물리 운동 법칙을 힘 혹은 토크로 확장하여 구성하였다.
그림과 같이 접촉되기 전(파란색 영역)에서는 실제 힘과 목표 힘의 차이가 크기 때문에 전류 제어 모드를 적용하면 엄청난 속도로 구동되어 위험하므로 제어적으로 안전한 위치 제어 모드를 적용하였다. 이후 기구가 부품과 접촉하여 로드셀의 입력이 기준치 이상이 되면 전류 제어 모드로 전환하고 앞의 사다리꼴 힘 미분 프로파일을 적용한 전류 명령으로 정밀한 전류제어가 수행될 수 있도록 하였다.
이러한 문제를 해결하고자, 서보프레스 혹은 너트러너의 액츄에이터인 서보모터 제어할 때 위치 제어와 전류 제어를 교번하여 적용하고, 특히 위치 제어에 사다리꼴 속도 프로파일을 적용하듯이 힘과 토크제어에도 사다리꼴의 힘미분 프로파일을 적용하여, 보다 정밀한 힘 혹은 토크 제어가 되도록 하는 제어 알고리즘 고안하도록 하였다. 즉 다음그림과 같이 위치, 속도, 가속도의 일반 물리 운동 법칙을 힘 혹은 토크로 확장하여 구성하였다.
본 논문에서는 자동차 부품업체의 조립 공정에서 압입이나 볼트, 너트 체결에 주로 사용되는 프레스와 너트러너는 정밀도와 생산성 향상을 위하여 여러 대의 압입 시스템을 복합적으로 구성한 후 동기화를 통하여 일괄적인 제어를 수행하는 생산 시스템으로 시리얼 통신을 이용한 저속의 멀티 서보 프레스 시스템을 개발하였다. 지능형압입시스템은 이더넷 허브를 통해 링 방식의 다축 네크워크의 통합 서보 드라이버 제어기로 개발하였다. 그 결과로 정밀도와 생산성이 향상되었고 제품에 대한 품질향상을 이룰 수 있었다.
품질의 정도를 높이기 위하여 압입을 1회로 끝내지 않고 2회 이상으로, 예압과 본압으로 구성하여 실험을 실시하였다. 본 논문에서는 프레스를 연속적으로 계속 설정할 수 있도록 구성 하였고, 예압, 본압, 역전 등의 일련의 과정을 사용자가 설정할 수 있도록 하였다.

이론/모형

- 동기화 명령을 하달하기 위하여 UDP 프로토콜의 broad casting 프로토콜을 활용하였다.
위치1에서 위치3까지는 위치제어 모드로서 토크제어보다는 압입되는 위치를 제어하는 알고리즘을 사용하였고[6], 위치4에서 위치5까는 실제 원하는 압입 토크가 발생해야 함으로 전류제어에 의한 토크제어 알고리즘이 사용하는 MIMO(multi input multi output) 형태의 고정도 토크 제어 알고리즘을 사용하였다.

성능/효과

그림 11은 예압과 본압으로 사용자 프로그램 설정(manager)을 보여 주고 있으며, 소형 압입시스템으로 압입한 결과(viewer)에서 보여준다. 결과 그래프에서 보는 바와 같이 위치 제어인 예압과 전류제어인 본압으로 나누어 압입된 결과로서 목표에 도달하였음을 알 수 있다.
지능형압입시스템은 이더넷 허브를 통해 링 방식의 다축 네크워크의 통합 서보 드라이버 제어기로 개발하였다. 그 결과로 정밀도와 생산성이 향상되었고 제품에 대한 품질향상을 이룰 수 있었다.
한 개의 아이템이 256 byte이므로 256 × 100 × 100 = 2.56 Mbyte의 저장 공간으로 사용자 프로그램을 담기에 충분한 공간을 확보하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	높은 토크를 위해 유압 시스템을 이용한 장비 사용시 문제점은?	자동차 조립 공정에서 압입이나 볼트, 너트 체결에 주로 사용되는 프레스와 너트 러너는 정밀도와 생산성 향상이 지속적으로 요구되고 있다. 초기 단계에는 높은 토크를 위해 유압 시스템을 이용한 장비들이 사용되지만, 시스템을 구성하는 부품의 크기가 크고 고가일 뿐만 아니라, 현장에서 누유 및 비산 작동유로 인한 환경오염과 작업자 건강에 위협이 되고, 소음 발생, 필터와 유압 작동유의 주기적인 교환으로 인한 폐기물 발생 등의 문제점으로 인해 점차 서보 모터 시스템으로 교체되고 있다.
	지능형 압입 시스템이란 무엇인가?	지능형 압입 시스템은 서보 프레스는 자체 구동시스템이 장착된 서보모터를 사용해 슬라이드의 정확한 위치와 속도를 제어할 수 있으며, 가공이 어려운 소재 및 형상의 성형이 가능해 기존 기계식 및 유압식 프레스를 대체할 차세대 프레스 기술이다. 압임 체결 시스템의 메커니즘은 서모모터의 회전운동이 슬라이드의 직선운동으로 전환되어 제품을 가공하는 기계로서 그림 1과 같이 동력 전달 방식에 따라 크랭크 방식, 링크방식, 스크류 방식, 너클-조인트 방식 등을 나눈다.
	서보 모터 시스템의 장점은?	유압 시스템에 비해 에너지 효율이 좋고 유압유를 사용하지 않는다는 장점이 있으며 디지털 제어를 통해 정밀도를 향상 시킬 수 있기 때문에, 청정한 작업환경과 품질 향상을 목표로 하고 있는 생산 현장에서 각광을 받고 있다.

참고문헌 (6)

J. I. Jung and J. S. Yang, "Trend and prospect of thin film processing technology", Journal of the Korean Magnetics Society, Vol. 21, No. 5, pp. 185-191, 2011.

원문보기 상세보기
W. C. Oliver and G.M. Pharr, "Improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments", International Journal of Materials Research., Vol. 7, No. 6, pp. 1563-1583, 1992.
A. Bolshakov and G.M. Pharr, "Influence of pile-up on the measurement of mechanical properties by load and depth sensing indentation techniques", International Journal of Materials Research., Vol. 13, No. 4, pp. 1049-1058, 1998.

상세보기
E. F. Yoh and Y. S. Lee, "Integrated analysis for the shrink fitted die with multi stress-ring of dissimilar materials", Journal of Korean Society for Precision Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 40-46, 2001.
H. Y. Kim, C. J. Choi, C. Kim, and W. B. Bae, "A study on the prediction of teeth deformation of the automobile transmission part in warm shrink fitting process", Journal of Korean Society for Precision Enfineering, Vol. 23, No. 9, pp. 352-357, 2006.
S. H. Jeong, M. Y. Yook, H. B. Lee and S. S. Do "A development of flexible press-fit machine using robot with Servo Press", Journal of Korea Society of Automotive Engineers, Vol. 9, No. 6, pp. 583-587, 2008.

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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