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PC 제어로 대형 우주 항공 부품 검사 간소화
One Cable Automation(OCA), 로봇 비파괴 검사 시스템을 위한 케이블링 작업 50% 감소

[Beckhoff 제공] 미국 Iowa의 Davenprot에 있는 Genesis Systems Group은 크고 작은 항공기, 인공위성, 심지어는 실물크기의 로켓을 위한 대형 부품의 비파괴 검사(NDI)용 로봇 시스템을 개발했다. PC 및 EtherCAT 기반 제어 기술은 안전성이 중요한 구성 요소의 자동화된 테스트를 위해 높은 정확도와 높은 처리량을 제공할 뿐만 아니라 케이블링 및 설치와 관련해 상당한 절감 효과를 제공한다.

Genesis Systems Group의 새로운 개발은 NSpect NDI 테스트를 수행하는 우주 항공 부품용 다중 관절형 로봇이 있는 시스템인 RoboPogo라고 한다. [사진=beckhoff]

항공 우주 산업보다 재료 시험 및 품질 보증에 대한 요구가 까다로운 산업은 거의 없다. 철저한 검사 자재 및 구성품을 사용해 승객, 승무원 및 화물의 안전을 보장하는 것은 간단한 작업이 아니다. Genesis Systems Group은 제조, 운송 및 우주 항공 시장을 지원하는 로봇 시스템 통합 업체다. 이 회사는 항공기, 위성 및 로켓용 대형 부품의 특수 테스트 요건을 충족시키기 위해 로봇 NDI 시스템을 전문으로 하고 있다. 경험 많은 전문가의 경우에도 이런 부품을 수동으로 검사하는 것은 많은 부분을 이동하면서 동시에 가장 높은 정확도 요구 사항에 따라 완벽한 재료 검사를 해야 하기 때문에 반드시 해결해야 할 과제였다. Beckhoff의 PC 및 EtherCAT 기반 제어 기술로 자동화된 Genesis의 검사 시스템은 이제 훨씬 더 빠른 속도이면서 요구되는 정밀도로 이러한 작업을 수행한다.

궁극적인 테스트를 위해 설계된 로봇 시스템

Genesis Systems의 NSpect 라인 NDI 솔루션은 재료 결함 및 제조 사양 준수를 위해 대형 항공 우주 부품을 검사하도록 설계됐다. 이를 위해 Genesis는 초음파 처리 장치가 있는 로봇을 통합해 송신기 및 수신기를 통한 투과 초음파 검사를 수행한다. 일반적인 초음파 검사 유형에는 펄스 에코(pulse echo), 위상 배열(phased array) 및 전단간섭계가 있다. 다른 기술들도 지원한다. 검사할 수 있는 재료의 범위는 광범위하지만 가장 일반적으로 철강, 알루미늄 및 복합 재료를 포함한다.

이 시스템에서 중요한 구성 요소는 Genesis Blitz Module이라는 가상 엔코더와 결합된 6축 다관절 로봇이다. 광범위한 C++ 프로그래밍을 통해 Blitz Module은 모든 로봇 위치를 취할 수 있으며 약 200 마이크로초 안에 6 자유도의 가상 엔코더를 생성할 수 있다. 이것은 1mm 단위로 측정되는 그리드 크기를 위한 것이다. 이 위치 피드백은 대형 표면 부품의 완벽한 검사를 보장한다. Genesis Systems Group의 자동화 시스템 엔지니어인 라이언 스테켈(Ryan Steckel) 씨는 "검사 세계에서 이것은 펄스 온 위치(PoP)라고 한다"며, "Blitz Module은 테스트중인 재료로부터 검사 데이터를 가져와 데이터를 계측기 또는 센서의 위치와 연관시킨다. 펄스가 더 빨리 보내질수록 로봇이 더 빠르게 작동하고 NDI 시스템이 더 생산적이 된다"고 말했다. 이러한 펄스를 보내는 기준은 10ms이며 Genesis에서 개발한 Blitz Module은 단 1ms만에 펄스를 전송할 수 있다. 이러한 맥락에서 EtherCAT은 테스트 및 측정 애플리케이션에 매우 정확한 측정 및 매우 정밀한 시스템 동기화를 촉진한다.

Genesis의 NSpect 시스템은 초음파 검사 데이터와 로봇 위치 정보를 결합하여 안전에 중요한 구성 요소의 매끄러운 재료 검사를 보장한다. [사진=beckhoff]

Genesis의 또 다른 새로운 개발은 NSpect NDI 테스트를 수행하는 구성 요소에 대한 다중 관절형 로봇이 있는 시스템인 'RoboPogo'이다. RoboPogo 솔루션은 단일 시스템이 여러 형상으로 복잡한 부품을 처리할 수 있기 때문에 자체적으로 구분된다. Genesis Systems Group 항공 우주 사업부 책임자 휘트니 문(Whitney Moon) 씨는 "2017년 Genesis는 NDI를 위해 특히 큰 부품을 고정해야 하는 프로젝트를 진행했다"며 "전통적인 하드 툴링이나 수동식 고정 장치로 이 작업을 수행하는 것은 매우 번거롭고 비용이 많이 든다"고 설명했다. 길이가 10~110피트인 부품을 지지할 때, 이러한 솔루션은 이상적이다. 관절형 로봇은 다중 부품 형상, 다양한 프로세스 또는 응용 프로그램을 수용할 수 있는 자유도를 제공하며 진행중인 검사 프로세스 중에 동적으로 위치를 재조정할 수 있다. 이것은 NSpect 시리즈의 검사 로봇과 정확하게 동기화된다.

PC 기반 제어로 시스템 통합 단순화

휘트니 문 씨는 "RoboPogo와 같은 솔루션으로 해결할 수 있는 애플리케이션은 매우 복잡하므로 설계를 단순화하는 자동화 시스템이 필요하다"며, "PC 기반 제어 시스템은 단일 소스에서 하나의 통합 플랫폼으로 모든 작업을 해결할 수 있기 때문에 이상적"이라고 설명했다. Genesis Systems는 모든 기능을 하나의 Beckhoff CX2030 임베디드 PC에 통합했다. 이 강력한 장치는 PLC, 세이프티 PLC, 모션 제어, HMI 소프트웨어, Windows OS 및 본질적으로 Genesis에서 사용되는 모든 검사 소프트웨어를 실행할 수 있다. 이와 관련해 스테켈 씨는 "우리는 20대의 로봇을 가진 시스템에서 EtherCAT을 통해 네트워크화된 CX2030 임베디드 PC를 사용하고 있으며, 여전히 CPU 용량의 약 25%만 사용한다"며, "모든 NDI 데이터를 수집하고 밀리 초 이내에 20개의 KUKA 로봇과의 통신을 유지하는 것은 인상적이다. 이는 PC 기반 제어 및 EtherCAT의 가치에 대한 증거"라고 밝혔다.

TwinCAT 3 소프트웨어를 사용해 시스템 프로그래밍 및 런타임을 처리하므로 시스템 배치가 더 간소화된다. 휘트니 문 씨는 "엔지니어링 환경은 구조화된 텍스트와 객체 지향 프로그래밍(이하 OOP)을 수용해 RoboPogo 개념을 성장시키는데 일부 시스템에는 4대의 로봇이 있고 일부에는 20대의 로봇이 있기 때문에 도움이 된다"고 말했다. 스테켈 씨도 "OOP를 통해 Genesis가 새로운 시스템에 기존 코드 라이브러리를 쉽게 구현할 수 있다"면서, "새로운 시스템을 시작하려면 모든 코드 행을 다시 작성하는 것이 아니라 기본 매개 변수를 설정하는 것이 훨씬 쉽다"고 덧붙였다.

사진 왼쪽부터 자동화 시스템 엔지니어 라이언 스테켈(Ryan Steckel), 지역 영업 엔지니어 데니스 소와다(Dennis Sowada), Genesis 시스템 그룹 항공 우주 사업부 책임자 휘트니 문(Whitney Moon) [사진=beckhoff]

EtherCAT을 통해 자동화 작업 감소, 안전성 향상

네트워킹 측면에서 RoboPogo와 Genesis의 다른 NDI 시스템은 EtherCAT을 통해 통신하며 EtherCAT은 전 세계의 주요 로봇 제조업체가 널리 사용하고 있다. Genesis Systems는 또한 EtherCAT P 및 OCA(One Cable Automation) 기술의 초기 채택자였다. 휘트니 문 씨는 "Genesis 시스템이 더 많은 상업용 비행기와 우주선을 사용하기 시작하자 많은 응용 프로그램이 수 백 피트에 걸쳐 확장됐다"며, "여러 케이블을 인클로저에 다시 연결해야 하는 경우 특히 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 든다. 그래서 Genesis Systems Group이 EtherCAT P 기술을 사용해 전원 및 EtherCAT 네트워크를 각 스탠드의 메인 인클로저에 라인 방식으로 연결하지 않고 전체 고정장치에 연결한다"고 말했다. 이러한 케이블 실행을 대폭 줄이려면 배치된 I/O 장치의 상당 부분이 Genesis Systems의 IP67 보호 기능이 있는 EtherCAT P Box 및 EtherCAT Box 모듈과 OCT(One Cable Technology)가 적용된 서보 모터 및 드라이브가 결합된 제품이다.

EtherCAT I/O 시스템의 통합 안전 기술은 TwinSAFE의 형태를 취해 추가적인 이점을 제공한다. 휘트니 문 씨는 "TwinSAFE를 사용해 기존의 안전 릴레이의 필요한 수를 90%까지 줄였다"며, "EtherCAT 진단은 장치의 오류 위치를 정확하게 식별할 수 있는 내장 도구를 사용해 시스템의 안전성을 높여준다"고 밝혔다. TwinSAFE는 또 다른 이점도 제공한다. 이와 관련해 스테켈 씨는 "이 기술은 안전 지대를 즉각적으로 재구성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 안전 지대를 설정할 수 있으며 운영자가 두 개의 다른 지대로 게이트를 닫을 수 있다. 하나의 영역에서 로딩이 발생할 수 있지만 시스템이 다른 영역에서 계속 실행된다. 이전에는 다른 PLC와 함께 작업한 안전 인터페이스로는 불가능했다"고 설명했다.

정확도 및 생산성 향상으로 막대한 비용 절감

스테켈 씨는 "One Cable Automation을 추가함으로써 Genesis Systems는 드라이브, 모터, 센서, 액추에이터 및 공압 밸브에 대해 NDI 시스템 케이블 링을 최대 50%까지 줄일 수 있다"고 밝혔다. 휘트니 문 씨도 "우리는 모든 전자 부품의 배선 및 설치 시간을 50% 줄였다. 또한 전기 캐비닛 및 인클로저에 필요한 공간을 20% 줄였다"고 덧붙였다.

[김관모 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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