자동 저장 및 검색 장치를 갖춘 하이-베이 창고가 널리 사용되고 있으며 확고히 자리를 잡았다. 그러나 이동 가능한 총량에 관련한 페이로드가 매우 작다.

독일 연방 교육 및 연구부(BMBF)가 지원하는 프로젝트 ‘EffizienzCluster LogistikRuhr’ 내에서, 뒤스부르크-에센 대학의 연구원들은 병렬 케이블 로봇을 통해 그 격차를 제거했다.

이 과정에서 PC 기반 제어의 장점인 저렴하고 유연한 제어 기술의 역할이 매우 컸다. 더욱이 Matlab/Simulink 모델이 가지고 있는 과학적 노하우가 TwinCAT 3 소프트웨어를 사용해서 아주 간단한 방법으로 제어기에 통합될 수 있었다.

오늘날 자동 저장 및 검색 장치(SRM)는 내부 물류 관리에서 사용된다. 레일이 장착된 구동 장치 및 리프팅 장치를 통해 저장/검색 장치는 높은 랙 앞에 위치한다. 이 랙은 제품을 저장소에 넣거나, 타깃 방식으로 다시 제품을 제거한다. 기존의 SRM은 이 과정에서 20~50kg인 작은 부품을 운반하기 위해 페이로드가 1~2톤의 구동 장치, 마스터 및 리프팅 장치를 움직인다.

이러한 불필요함의 해결책으로, 현재는 통합 저장/검색 장치를 갖춘 경량 플랫폼이 전체 구동 및 리프팅 장치를 대체한다. 8개의 인장 케이블로 구성 된 소위 케이블 로봇인 플랫폼이 높은 랙 앞으로 이동함으로써 기계적으로 아주 간단한 초경량 시스템을 만들었다. 기존 하이-베이 창고에 있었던 질량 관련 높이 제한 없이 다양한 크기로 구성할 수 있게 됐다.

에너지 절약 및 잠재 성능을 가진 새로운 개념

기존 기술과 비교해 케이블 로봇의 질량이 90% 이상 감소함으로써 성능은 증가하며 동시에 에너지 균형은 좋아졌다.

이 개념은 2012년 뒤스부르크-에센 대학에서 이미 6m 높이, 12m 너비 및 1m 깊이의 모델로 구현됐다. 컴퓨터 애플리케이션 분야뿐만 아니라 메카트로닉스 및 운송 시스템/물류 관리 두 분야의 설계에서 실현됐다.

이에 대해 메카트로닉스학부의 토비아 브루크만(Tobias Bruckmann) 박사는 “질량비를 극도로 향상시켰다”며, “저장/검색 장치를 장착한 경량 플랫폼인 말단 장치가 80kg 무게이며 최대 20kg의 페이로드를 가지는데 단순한 모델과 이상적인 가정에 기초한 모델 연산은 기존 저장 및 검색 장치와 비교해서 약 70% 에너지 소비를 감소시켰다”고 언급했다.

달성 가능한 저장/검색 성능의 관점으로 보면 높은 최적화가 가능하다. 프로젝트를 시작할 때 일반적인 SRM 값인 플랫폼 속도 6m/s 및 가속도 5m/s²을 설계 사양으로 했다.

메카트로닉스학부의 크리스찬 슈트름(Christian Sturm) 박사는 “이 값들을 얻기 위해서는 7kW 정격의 윈치 드라이브가 필요하다. 특히 기존 저장 및 검색 장치에서 더 강력하고 더 무거운 드라이브를 움직일 필요가 없기 때문에 프로토 타입에서 높은 속도 및 가속도를 가능하게 해주는 14kW 드라이브를 사용한다”고 언급했다.

제어 기술의 기본은 고성능 및 산업적 호환성

상시적으로 안전한 시스템 운영을 확보하기 위해서 제어 시스템에는 가장 높은 요구 사항이 필요하다.

8개의 서보 드라이브가 동시에 구동돼야 하며, 케이블 8개의 역각 센서 및 각도 엔코더가 동시에 읽혀야 한다. 이 측정값은 고성능 실시간 플랫폼을 요구하는 모델 기반 제어기에 데이터를 제공한다.

브루크만 박사는 “제어기가 Matlab/Simulink으로 구현됐기 때문에, 벡호프의 TwinCAT 3 자동화는 이상적이고 강력하며 저렴한 솔루션이 됐다. 학술적 사용을 위한 프로토 타입 제어 시스템 대신 이미 검증된 표준 구성 요소를 활용하는 것이 가능했다”고 덧붙였다.

전체 제어 기술에서 C6640 제어 캐비닛 PC는 충분한 컴퓨팅 성능 이상의 역할을 한다. 좋은 위치 선정을 위한 저장/검색 장치 및 레이저 스캐너와 같은 경량 플랫폼의 구성 요소뿐만 아니라 센서 및 드라이브와 EtherCAT으로 통신한다. 케이블 로봇 작동에는 케이블 힘의 신뢰성 높은 측정이 필요하기 때문에 eXtreme Fast Control(XFC)을 내장한 EL3356-0010 아날로그 입력 단말기를 사용한다.

케이블 장력은 경량 플랫폼을 가능한 정확하게 흔들림 없이 이동할 수 있도록 하기 위해 로드 셀 및 EL3356-0010 EtherCAT 단말기로 측정된다. 이 값들은 Matlab/Simulink로 구현된 제어 알고리즘을 통해 처리된다. 그 과정에서 오버 샘플링 인수 10을 가진 XFC의 오버 샘플링 기능이 큰 역할을 했다.

EL3356-0010는 우수한 샘플링률을 제공한다. 현재 제어 사이클 타임 1ms과 관련하여 아주 원활한 신호를 제공한다. 따라서 신호는 추가적인 전처리 과정 없이 제어기에서 처리될 수 있다. 게다가 매개 변수화와 접속은 아주 간단하며, 단말기의 비용은 매우 효율적이다.

하나의 플랫폼으로 전 산업에 적용 가능

제어 시스템의 주요 장점은 산업적 호환성이다. 이는 연구의 실제 취지인 제어 알고리즘에 추가 작업을 위한 이상적인 기반이 된다.

드라이브 및 플랫폼의 분산 제어기가 필요 없이, 광범위한 데이터 버스를 내장한 집중식 실시간 PC 한 대만으로 충분하다. 측정한 값을 플랫폼에 전송하는 것은 1미터에서 하든 20미터에서 하든 중요하지 않다.

초기 프로토 타입에서는 데이터 수집, 특히 원격 모터 제어가 다소 복잡했다. 새로운 대형 프로토 타입의 커미셔닝이 아주 간단하다. 또 다른 이점도 있다. 연구원에게 익숙한 Matlab/Simulink를 사용할 수 있는 동시에 사용자는 일반적인 IEC 61131-3 언어를 무제한 사용할 수 있기 때문에 벡호프 기술은 연속 생산의 관점에서 아주 큰 이점을 제공한다.

브루크만 박사는 “이러한 보편성 덕분에 안전 기능의 추가를 이유로 제2의 제어 시스템을 통합할 필요가 없다”며, “PC 제어는 하나의 플랫폼에서 산업용에 필요한 모든 것을 제공할 준비가 돼있다”고 강조했다.

미래 지향적 시스템 개발을 위한 TwinCAT 3의 개방성

연구원들은 간단한 방법으로 과학적 분야에서 산업적으로 호환 가능한 시스템에 접근할 수 있도록 해주기 때문에 TwinCAT 3을 통한 Matlab/Simulink의 간단한 인터페이싱을 진정한 이정표로 간주한다.

게다가 전체 하드웨어 수준은 TwinCAT 3과 EtherCAT을 사용해 아주 간단한 모듈식으로 구성할 수 있다.

슈트름 박사는 “TwinCAT 3를 통해 EtherCAT 시스템에 연결된 모든 구성 요소는 하드웨어 이미지로 볼 수 있다. 따라서 모든 장치들은 소프트웨어 모듈과의 통신을 통해 쉽게 제어기에 연결될 수 있다”며, “EtherCAT 시스템은 확장 가능하기 때문에 시스템은 예를 들어 추가 I/O 모듈 등으로 간단하게, 그리고 무엇보다 기존 시스템과 비교해서 저렴하게 확장될 수 있다”고 언급했다.

마찬가지로 TwinCAT 3는 향후 발전의 잠재성을 제공한다. 일례로 멀티-코어 기술의 지원은 산업용의 관점에서 특히 중요하다. 창고 관리 및 안전 개념에 필요한 업무가 필요한 경우 프로세서 코어에 아웃소싱할 수 있다.

더불어 브루크만 박사가 아주 매력적이라고 소개하는 기능인 Visual Studio의 통합을 통한 개방성이 있다. 학술적인 사용자들은 실시간 프로그래밍에서부터 Visual Studio의 시각화에 이르기까지 완전한 프로젝트를 만들기 위해 이 새로운 프로그래밍 기술의 사용을 희망할 것이다.

케이블 로봇 프로젝트의 다음 단계는 C/C++로 작성된 소프트웨어 블록을 통합하는 것이며 다른 하드웨어 인터페이스, 예를 들어 카메라 시스템 등에 접근할 수 있도록 하는 것이다.

트라이텍 제공

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