엑트엔지니어링(주)이 제안하는 직교좌표로봇 설계

도시바기계그룹의 직교좌표로봇 전용 컨트롤러 CA25는 드라이버와 컨트롤러를 하나의 임베디드에 구성함으로써 콤팩트함과 더불어 심플한 티칭을 가능하게 한다. 도시바기계의 한국 에이전트인 엑트엔지니어링(주)은 기존의 로봇 전용 컨트롤러가 지니고 있던 한계점에 대한 분석과 이에 대한 해답으로 CA25를 제안하고 있다.

1. 직교좌표로봇 컨트롤러 현황

직교좌표로봇은 직각좌표계로 표현되는 운동을 구현하는 로봇으로서 축의 조합에 따라 1~4축 형태로 널리 사용되고 있다. 이는 기구의 설계가 간편하고 조립 생산이 용이하기 때문에 빠른 시간에 로봇을 설계하고, 제품을 생산할 수 있다. 

통상적으로 컨트롤러는 부피가 큰 컨트롤러 박스 안에 로봇 컨트롤러와 드라이버가 설치되고, 여기에 모터가 연결되거나 혹은 조금 작은 사이즈의 컨트롤러 박스에 드라이버와 모터를 별도로 연결하는 형태였다.

최근에는 1축을 단독으로 제어하는 경우도 있으며, 대표적으로는 전동 실린더를 꼽을 수 있다. 이는 프레스 계통에서부터 정량 토출 장치, 게임기의 시뮬레이터 등에 이르기까지 다양하게 사용된다. 한편으로는 대량생산으로 한동안 직교좌표로봇의 커다란 시장을 형성했던 데스크탑 타입의 로봇도 있다. 이 로봇은 디스펜싱장비의 기본 형태라 할 수 있을 정도로 널리 활용되고 있다. 

이렇게 구성된 로봇의 1축 구성 요소를 살펴보면 볼스크루 또는 벨트와 LM가이드, 프레임 등 구조가 간단해 기술진입장벽이 낮은 것이 특징이며, 현재 국내에는 20여개 사가 관련 제품을 생산하고 있다. 

하지만 통상적으로 직교좌표로봇의 경우 PLC 또는 모션 컨트롤러로 서보를 제어하기 때문에 전용 컨트롤러는 극히 일부 제조사들만이 생산하고 있다. 

이러한 상황에서 만약 직교좌표로봇 컨트롤러의 가격이 현재의 절반가량에 공급된다면 어땠을까. 

2. 직교좌표로봇 컨트롤러, 왜 시장 형성이 어려운가

현재 현장에서는 많은 제어 엔지니어들이 중노동하듯 프로그램을 작성하고 있다. 

로봇 전용 컨트롤러가 일반 모션 컨트롤러와 다른 점은 무엇보다도 로봇의 기능을 쉽고, 빠르고, 또한 안전한 모션을 구현할 수 있다는 점이다. 

직교좌표로봇, 스카라로봇, 수직다관절로봇 등 각 로봇은 형태에 따라 고유의 특성에 맞는 제어 프로그램을 빠르고, 쉽게 구현할 수 있도록 개발됐다. 그럼에도 불구하고 시장에서 로봇 컨트롤러가 외면당하고 있을까. 이에 대한 해답으로 몇 가지 가능성을 유추할 수 있다. 

첫 번째는 바로 가격이다. 시중에 유통되고 있는 직교좌표로봇 컨트롤러는 수십만 원에서부터 천만 원에 육박하는 금액으로 판매되고 있다. 3~4축의 로봇을 제어하는 컨트롤러의 가격이 이처럼 천차만별인 이유는 제품을 지칭함에 있어 컨트롤러만을 가리키거나, 혹은 드라이버, 티칭팬던트 등을 포함하거나에 따른 차이 때문이다. 

우선 컨트롤러만 살펴보자면 펄스출력을 이용해 Open Loop로 서보만 움직이는 로봇 컨트롤러 제조사의 제품은 대략 수십만 원 선이며, 이러한 제품들은 로봇 컨트롤러라기보다는 서보 컨트롤러에 가깝다. 고가의 로봇 컨트롤러대비 동작의 신뢰성 확보가 어렵고, 비교적 프로그램에 접근함에 있어서도 시간이 많이 소요되는 경우가 많으며, 프로그램 모니터링 기능이 현저하게 떨어지는 것이 일반적이다. 

반면 국내의 일부 업체가 생산하고 있는 컨트롤러와 드라이버가 일체형인 로봇 전용 컨트롤러의 경우, 외형의 크기가 크고, 일반적으로 자사 로봇과 함께 판매가 이뤄지고 있으며, 컨트롤러만 별도로 판매될 경우 고가에 거래된다는 점 때문에 그 수요층이 제한적이다. 

두 번째 요인은 프로그래밍이 어렵다는 점이다. 지금도 로봇을 떠올리면 전문 프로그래머가 필요하다고 생각하는 독자가 있을 수도 있다. 하지만 로봇 자체의 움직임에 대한 프로그래밍은 기구 설계자가 접근하기 용이하지만, 로봇 자체의 동작 구현을 넘어 로봇이 동작하는 환경에 대한 이해를 바탕으로 프로그래밍을 하는 작업으로 범위가 확장될 경우 접근이 용이하지 않다.

한편 신뢰성 높은 제품의 선별이 어렵다는 점도 로봇 컨트롤러 시장 확대를 저해하는 하나의 요인으로 판단된다. 이 부분은 최소 수년 이상 산업 현장에서 적용된 사례가 뒷받침이 되어야 하는데, 최근에는 많은 제품들이 쉽게 개발되는 상황으로, 신뢰성 높은 레퍼런스를 지닌 로봇 컨트롤러를 선별할 수 있는 능력이 엔지니어들에게 요구된다.

3. 엔지니어들에게 해답을 제시하는 직교좌표로봇 전용 컨트롤러 CA25

도시바기계의 직교좌표로봇 전용 컨트롤러 CA25는 앞서 언급했던 가격, 프로그래밍, 신뢰성을 모두 충족시키고 있다. CA25는 뛰어난 가격경쟁력과 더불어 검증된 내구성과 쉬운 프로그래밍이 가능하다는 점에서 엔지니어들의 호평을 받고 있다.

도시바기계의 CA25는 임베디드 드라이버 타입으로, 컨트롤러와 드라이버가 일체형으로 제작되어 콤팩트하고, 아울러 높은 퍼포먼스의 서보 컨트롤을 실현한다. 110/220V 겸용 사용이 가능한 CA25는 멀티태스크도 가능하다.

CA25는 마스터 유닛인 CA25-M과 슬레이브 유닛인 CA25-S로 구성되어 있으며, 마스터 및 슬레이브 유닛은 모두 폭 55㎜, 높이 160㎜의 콤팩트한 사이즈를 동일하게 구현하고 있다. 마스터 유닛에는 티칭 팬던트와 PC, 터치패널 등을 연결하기 위한 통신포트를 구비하기도 했다. 옵션을 통해 CC-Link, DeviceNet, I/O Expension Card 등이 제공되는 이 컨트롤러는 고속 가감속 및 디스펜싱 기능을 기본으로 탑재하고 있다.

1) 쉬운 티칭

로봇을 티칭하는 일반적인 방법은 티칭 팬던트를 이용해 제품의 동작을 실시간으로 수정하는 방법, 대략적인 프로그램을 작성할 수 있도록 노트북이나 PC에서 티칭하는 방법, 또한 서보 오프 상태에서 손으로 직접 로봇을 움직여 현재의 위치를 교시하는 직접교시 등이 사용되고 있다. CA25는 여기에 더해 마우스로도 교시가 가능하다는 점이 특징이다.

지금까지의 프로그래밍이 최소한의 명령어를 입력해야만 하는 방식이었다면, CA25는 마우스 클릭만으로도 프로그램을 완성할 수 있도록 위자드 프로그램이 제공된다. 

2) 컨트롤러 임베디드 드라이버

일반적으로 컨트롤러 임베디드 드라이버의 경우 기능이 제한적이거나, 특별한 기능에만 국한되어 사용할 수 있었다. 그러나 CA25는 직교좌표로봇이 요구하는 모든 명령어를 수행하고 있으며, 디스펜싱, 팔레타이징, 토크 제한 등 다양한 기능을 탑재하고 있다. 

축이송, 디스펜싱 제어(Post/Pass), 팔레타이징, 토크 제한, 멀티태스크, 프로그램 흐름 제어, I/O제어, 카운터·타이머 등의 기능도 갖춰 편의성을 높였다. 특히 팔레타이징의 경우 자체적으로 해당 기능을 제공하고 있어 별도의 팔레타이징 프로그램을 제작하는데 소요되는 시간도 줄일 수 있다.

한편 컨트롤러와 드라이버가 일체형으로 구성되어 있다는 점은 토크 제어와 더불어 빠른 응답이 가능한 컨트롤러로서, 정교한 모션 구현이 가능해진다는 것을 의미한다.

3) 다양한 제품 형태 구성

로봇 컨트롤러에 필요한 것은 사용되는 로봇 축 수에 따라 드라이버의 숫자도 결정되어야 한다는 점이다. 이미 완성된 4축용 프레임에 2축을 사용한다면 가격뿐만 아니라 설치 공간 측면에서도 문제가 된다. 

CA25는 제어기와 드라이버가 하나의 임베디드로 통합되어 있어 통신 케이블만 연결해 작동이 가능하다. 최대 4축(마스터 유닛 1축, 슬레이브 유닛 3축)까지 제어할 수 있으며, 스테이션 넘버(마스터 넘버 0, 슬레이브 넘버 1~3)를 세팅, 통신으로 연결된다.

기본적으로 첫 번째 드라이브는 마스터, 그 다음부터는 슬레이브로 연결하면 모든 구성이 끝나는 형태로 설계되어 있으며, 이는 2축을 사용할 경우 2대의 드라이버로, 3축의 경우 3대의 드라이버로, 단축일 경우 마스터 드라이버 한 대만 사용하면 되기에 유연한 적용이 가능하다. 

2축 연결 시 원호보간 등 2축 보간 명령을, 3축의 경우 헬리컬 보간 등 3축 동시 보간을, 마찬가지로 4축으로 로봇을 구성할 경우 4축 동시 보간을 사용할 수 있다. 

또한 동시에 4개의 태스크 프로그램(Task Program)을 사용할 수 있는 멀티태스크 기능으로 4개의 개별 제어기를 활용한 것처럼 동작을 구현할 수 있다.

4) 110/220V 겸용 드라이버

주 전원은 단상 110/220V를 선택적으로 사용할 수 있다. 이는 일본 등 일부 국가에서 110V를 사용하기 위해 별도의 전원 트랜스를 사용함으로써 발생되는 비용이나 발열 문제 등에 대한 고민을 해소한다. 

4. 엑트엔지니어링(주), 유투브로 CA25 관련 기술 지원

CA25의 가장 주목할 만한 특징은 많은 어플리케이션 경험과 높은 제품 신뢰성을 보유하고 있다는 점이다. 

도시바기계 국내 에이전트인 엑트엔지니어링(주)의 최영수 대표이사는 “국내는 직교좌표로봇 및 액추에이터 메이커가 다수 존재함에도 불구하고 직교좌표로봇 전용 컨트롤러 시장은 미비하다”며 “보다 최적화된 컨트롤러를 합리적인 가격에 제공함으로써 국내 직교좌표로봇 메이커들의 경쟁력을 함께 끌어올릴 수 있기를 기대한다”고 전했다. 

한편 엑트엔지니어링(주)은 CA25를 비롯한 도시바기계그룹의 로봇 및 컨트롤러 제품들에 대한 기술 지원을 유투브를 통해 무상으로 제공하고 있다. 유투브에서 ‘도시바 로봇’ 또는 ‘엑트엔지니어링’으로 검색하면 보다 자세한 설명 및 관련어플리케이션들에 대한 동영상을 확인할 수 있다.

엑트엔지니어링(주) www.acteng.co.kr

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 엑트엔지니어링(주)이 제안하는 직교좌표로봇 설계