[논문]RTOS기반 LinuxCNC에서 EtherCAT 통신이 적용된 3축 CNC 제어 시스템 개발

강유수; 유경석; 태병희; 최인휴; 이정완; 서영호; 김병희

doi:10.22805/jit.2020.40.1.019

RTOS기반 LinuxCNC에서 EtherCAT 통신이 적용된 3축 CNC 제어 시스템 개발
Development of RTOS Based LinuxCNC 3-axis Control System with EhterCAT Communication 원문보기

産業技術硏究 : 江原大學校産業技術硏究所 = Journal of industrial technology, v.40 no.1, 2020년, pp.19 - 23

강유수 (Dept. of Advanced Mechanical Engineering(Mechatronics Engineering) Kangwon National University) , 유경석 (Dept. of Advanced Mechanical Engineering(Mechatronics Engineering) Kangwon National University) , 태병희 (Dept. of Advanced Mechanical Engineering(Mechatronics Engineering) Kangwon National University) , 최인휴 (Dept. of CNC BIZ CSCAM) , 이정완 (Dept. of Advanced Mechanical Engineering(Mechatronics Engineering) Kangwon National University) , 서영호 (Dept. of Advanced Mechanical Engineering(Mechatronics Engineering) Kangwon National University) , 김병희 (Dept. of Advanced Mechanical Engineering(Mechatronics Engineering) Kangwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a PC-based CNC control system using EtherCAT-based servo drive and I/O device. The default communication of LinuxCNC is a parallel port, and data processing with high bandwidth is impossible. However, it is possible to apply various bandwidth devices through the application of EtherCAT, one of the industrial Ethernet communications with high bandwidth. Therefore, the hardware control method of LinuxCNC was applied through EtherCAT communication from the existing parallel port. Finally, through HAL configuration, I/O device operation check and 3-axis motion control proved the LinuxCNC system with EtherCAT.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1 Schematic of LinuxCNC 3-axis control system with EtherCAT communication
그림 Fig. 2 Schematic diagram RTOS based LinuxCNC system architecture with EtherCAT communication
그림 Fig. 3 Status of IgH EtherCAT master and slaves : (a) command of ethercat master (b) command of ethercat slaves
그림 Fig. 4 Real image of RTOS based LinuxCNC 3-axis control test-bed with EtherCAT communication
그림 Fig. 5 LinuxCNC I/O devices test via EtherCAT communication : (a) voltage, limit switch OFF (b) voltage, limit switch ON
그림 Fig 6. Results of LinuxCNC 3-axis operation test via EtherCAT : (a) sequential pictures of x - axis (b) X, Y, Z axis position

AI 본문요약
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문제 정의

2.3절까지의 내용은 LinuxCNC 시스템 아키텍처 와 EtherCAT 그리고 LinuxCNC에서 EtherCAT을 사용하기 위한 설정에 관하여 기술하였다. 본 절에서는 앞에서 적용된 내용을 바탕으로 EtherCAT 통신이 적용된 LinuxCNC에서 3축 테스트 베드 구축에 관하여 기술한다.
본 연구는 오픈소스 기반의 공작기계용 CNC 제어시스템 테스트 베드 구축을 위한 기본연구를 진행하였다. 페러럴 포트 통신 인터 페이스 기반의 LinuxCNC를 산업용 Ethernet 인 EtherCAT 통신 인터페이스로 변경 및 적용하였다.
3절까지의 내용은 LinuxCNC 시스템 아키텍처 와 EtherCAT 그리고 LinuxCNC에서 EtherCAT을 사용하기 위한 설정에 관하여 기술하였다. 본 절에서는 앞에서 적용된 내용을 바탕으로 EtherCAT 통신이 적용된 LinuxCNC에서 3축 테스트 베드 구축에 관하여 기술한다.

제안 방법

I/O 장치는 EtherCAT 통신이 적용된 모듈방식의 I/O 장비를 사용하였고, EtherCAT coupler는 EK1100, Digital Input/Output 장비는 EL1002, EL2008, EL1008을 사용하여 시스템을 구성하였다.
I/O 장치는 EtherCAT 통신 으로 Main PC와 연결되어 있으며, LinuxCNC의 EMCIO 부분과 HAL 부분과 연동이 되어있다. I/O 장치와 LinuxCNC의 EtherCAT 기반 통신 확인은 LinuxCNC HAL configuration을 통하여 간단히 확인하였다. HAL configuration은 LinuxCNC에 구성된 HAL pin들의 정보를 제공하며, I/O 장치와 LinuxCNC와 맵핑된 HAL pin의 ON/OFF 신호를 통하여 EtherCAT 통신 여부를 확인 할 수 있다.
LinuxCNC EtherCAT HAL드라이버의 설치가 끝난 후 LinuxCNC EtherCAT에 관련된 예제 파일을 활용하여 시스템을 구축하였다. 예제파일의 위치는 /usr/share/linuxcnc-ethercat/example/swm-fm45a 의 예제를 참고하여 시스템을 구축하였다.
제공된 내용을 바탕으로 EtherCAT HAL. 드라이버 설치를 수행 후 IgH EtherCAT master의 환경설정을 수행한다. 이때 NIC(Network Interface Card)의 드라이브 구동 방식과 MAC(Media Access Control) 주소의 설정을 진행하여야 한다.
페러럴 포트 통신 인터 페이스 기반의 LinuxCNC를 산업용 Ethernet 인 EtherCAT 통신 인터페이스로 변경 및 적용하였다. 또한 LinuxCNC HAL 드라이버를 EtherCAT 통신이 가능하도록 적용하였다. I/O 장치들의 경우 EtherCAT 통신이 적용됨을 HAL configuration을 통하여 확인하였고, 서보드라이브의 제어 또한 EtherCAT 통신을 적용하여 구동됨을 확인하였다.
본 절에서는 EtherCAT 통신 기반 LinuxCNC 3축 테스트 베드 구동과 관련하여 I/O 테스트를 진행한다. Fig.
본 절에서는 EtherCAT 통신 기반 LinuxCNC 3축 테스트 베드 구동과 관련하여 X, Y, Z 3축 모터의 모션 구동에 대한 테스트를 진행한다. Fig.
이를 위해 I/O 장치는 모듈방식으로 확장이 가능한 백호프(Beckhoff) 사의 EtherCAT 통신 기반 장비를 사용하였다. 서보드라이브의 경우 CANOpen 통신 프로토콜이 적용된 델타일렉트로닉스(Delta Electronics)사의 서보드라이브를 사용하여 시스템을 구성하였으며, 해당 장비들의 통신 주기는 1 ms로 실시간 통신을 수행하도록 시스템을 구성하였다.
이에 본 연구에서는 LinuxCNC에서 EtherCAT 통신 인터페이스를 적용하여 I/O 장비와 3개의 서보드라이브가 적용된 테스트 베드를 구축하고, I/O 장비와 서보드라이브의 구동을 통한 제안된 시스템을 검증하였다.
4는 상기 명시된 하드웨어를 바탕으로 구성한 RTAI 기반 LinuxCNC EtehrCAT 통신 3축 제어시스템 테스트 베드를 나타낸다. 전원 노이즈 제거를 위하여 전원 노이즈 제거 필터로 구성된 전장 박스 구성을 통한 해당 테스트 베드의 안전성을 확보하였다.
본 연구는 오픈소스 기반의 공작기계용 CNC 제어시스템 테스트 베드 구축을 위한 기본연구를 진행하였다. 페러럴 포트 통신 인터 페이스 기반의 LinuxCNC를 산업용 Ethernet 인 EtherCAT 통신 인터페이스로 변경 및 적용하였다. 또한 LinuxCNC HAL 드라이버를 EtherCAT 통신이 가능하도록 적용하였다.

대상 데이터

구성된 시스템에 사용된 NIC는 Intel 82574L gigabit 모델을 사용하였고, 서보드라이버는 CIA402 기반의 통신 프로토콜이 적용된 델타일렉트로닉스사의 ASDA A2 0221-E 모델을 사용하였으며, 서보 모터는 브레이크 타입 모터(ECMA-C10602FS) 1개와 일반 모터(ECMA-C1060ES) 2개 총 3개의 모터를 사용하였다.

이론/모형

LinuxCNC의 경우 최대 9축의 제어가 가능하기 때문에, I/O 장치들 또한 무수히 많이 사용될 수 있다. 이를 위해 I/O 장치는 모듈방식으로 확장이 가능한 백호프(Beckhoff) 사의 EtherCAT 통신 기반 장비를 사용하였다. 서보드라이브의 경우 CANOpen 통신 프로토콜이 적용된 델타일렉트로닉스(Delta Electronics)사의 서보드라이브를 사용하여 시스템을 구성하였으며, 해당 장비들의 통신 주기는 1 ms로 실시간 통신을 수행하도록 시스템을 구성하였다.

성능/효과

6(a) X축에 대한 시퀸셜 사진을 나타낸다. 0초, 20초, 30초, 40초 일 때 X축의 모션 변화는 우측으로 이동됨을 확인할 수 있었다. 또한 해당 시간에 피드백 된 X, Y, Z 각도를 표시하였다.
또한 LinuxCNC HAL 드라이버를 EtherCAT 통신이 가능하도록 적용하였다. I/O 장치들의 경우 EtherCAT 통신이 적용됨을 HAL configuration을 통하여 확인하였고, 서보드라이브의 제어 또한 EtherCAT 통신을 적용하여 구동됨을 확인하였다. 향후 계획으론 구축된 테스트 베드를 기반으로 개방된 제어 시스템을 갖는 공작기계용 스마트 CNC 제어 시스템 개발을 목표로 연구를 수행 할 예정이다.
5(b)는 맵핑된 Voltage 신호와 Limit switch가 작동하는 상태이다. 그 결과 붉은색으로 표시된 I/O 장치의 LED는 점등됨을 확인하였고, 해당 Pin에 전원이 ON 상태가 됨을 확인하였다. 따라서 간단한 I/O 입출력 테스트를 통한 EtherCAT 통신기반 I/O 제어가 가능 함을 확인하였다.
6(b)는 X, Y, Z축의 1초 간격의 위치 데이터를 그래프로 표시하였다. 데이터 측정 결과 5 mm 이송 명령 시 1 회전 이송됨을 확인하였다.
이는 해당 Pin에 전원을 OFF 시킨 결과이다. 따라서 HAL configuration에서도 맵핑된 Voltage 신호와 x, y, z-neg-lim-in 스위치의 점등표시 또한 OFF로 표시됨을 확인 할 수 있다.
그 결과 붉은색으로 표시된 I/O 장치의 LED는 점등됨을 확인하였고, 해당 Pin에 전원이 ON 상태가 됨을 확인하였다. 따라서 간단한 I/O 입출력 테스트를 통한 EtherCAT 통신기반 I/O 제어가 가능 함을 확인하였다.

후속연구

I/O 장치들의 경우 EtherCAT 통신이 적용됨을 HAL configuration을 통하여 확인하였고, 서보드라이브의 제어 또한 EtherCAT 통신을 적용하여 구동됨을 확인하였다. 향후 계획으론 구축된 테스트 베드를 기반으로 개방된 제어 시스템을 갖는 공작기계용 스마트 CNC 제어 시스템 개발을 목표로 연구를 수행 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공작기계용 CNC 제어시스템은 크게 무엇으로 구성되어 있는가?	공작기계용 CNC 제어시스템은 크게 폐쇄형 제어시스템과 개방형 제어시스템으로 구성된다. 폐쇄형 제어시스템의 경우 제조사의 하드웨어 및 소프트웨어의 변경은 제한적으로 이루어진다[1].
	LinuxCNC에서 사용된 CPU는 무엇인가?	1 은 본 연구에서 제안한 EtherCAT 통신 인터페이스 기반 LinuxCNC 3축 제어시스템의 모식도를 나타낸다. LinuxCNC에 사용되는 메인 컴퓨터의 경우 Intel Core i7의 멀티 코어 CPU를 사용하였다. LinuxCNC의 경우 최대 9축의 제어가 가능하기 때문에, I/O 장치들 또한 무수히 많이 사용될 수 있다.
	일반 OS와 달리 RTOS는 우선순위를 어떻게 결정하는가?	일반 OS(Operating System)의 경우 소프트웨어간 우선순위는 OS에서 우선순위를 임의로 결정한다. RTOS(Real-Time OS)는 사용자가 임의로 소프트웨어 우선순위를 결정할 수 있게 한다. LinuxCNC의 경우 서보드라이브의 모션제어를 위해 1 ms 통신 주기를 충족하는 실시간성을 보장받아야 한다.

참고문헌 (9)

HASCOET, J.Y., RAUCH, M., 2016, Enabling advanced cnc programming with opennc controllers for hsm machines tools, High Speed Machining. 2: 1-14.
PRITSCHOW, G., Altintas, Y., Jovane, F., Koren, Y., Mitsuishi, M., Takata, S., and Yamazaki, K., 2001, Open controller architecture-past, present and future, CIRP Annals. 50.2: 463-470.

상세보기
Paprocki, M., Wawrzak, A., Erwinski, K., Karwowski, K., and Klosowiak, M., 2017, PC-based CNC machine control system with LinuxCNC software, Measurement Automation Monitoring. 63.
Erwinski, K., Paprocki, M., Grzesiak, L. M., Karwowski, K., and Wawrzak, A., 2012, Application of ethernet powerlink for communication in a linux rtai open cnc system, IEEE Transactions on Industrial Electronics. 60.2: 628-636.
Park, S. M., An, C. J., Kim, H., Yi, H. C., & Choi, J. Y., 2015, Implementation of RTAI Open CNC System based on EtherCAT Network, Institute of Control, Robotics and Systems. 21.10: 977-981.

원문보기 상세보기
IgH EtherCAT Master, 2017, IgH EtherCAT Master 1.5.2 Documentation, IgH EtherCAT Master.
LinuxCNC, 2020, LinuxCNC V2.7.15-21, LinuxCNC.org.
LinuxCNC, n.d., .
LinuxCNC EtherCAT wiki, n.d., .

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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